Proses pembentukan busur listrik dan metode pemadamannya

Saat rangkaian listrik dibuka, terjadi pelepasan listrik berupa busur listrik. Untuk munculnya busur listrik, tegangan kontak cukup di atas 10 V pada arus di sirkuit urutan 0,1 A atau lebih. Dengan tegangan dan arus yang signifikan, suhu di dalam busur dapat mencapai 3-15 ribu ° C, akibatnya kontak dan bagian aktif meleleh.

Pada tegangan 110 kV ke atas, panjang busur bisa mencapai beberapa meter. Oleh karena itu, busur listrik, terutama di sirkuit daya tinggi, untuk tegangan di atas 1 kV adalah bahaya besar, meskipun konsekuensi serius juga dapat terjadi pada instalasi untuk tegangan di bawah 1 kV. Akibatnya, busur api harus dibendung sebanyak mungkin dan dipadamkan dengan cepat di sirkuit untuk tegangan di atas dan di bawah 1 kV.

Penyebab busur listrik

Proses pembentukan busur listrik dapat disederhanakan sebagai berikut.Ketika kontak menyimpang, tekanan kontak pertama-tama berkurang dan permukaan kontak meningkat, resistensi transisi (kepadatan arus dan suhu - panas berlebih lokal (di area kontak tertentu) dimulai, yang selanjutnya berkontribusi pada radiasi termionik, ketika di bawah pengaruh suhu tinggi kecepatan elektron meningkat dan mereka meledak dari permukaan elektroda.

Pada saat pemisahan kontak, yaitu sirkuit putus, tegangan dengan cepat dikembalikan ke celah kontak. Karena dalam hal ini jarak antar kontak kecil, ada Medan listrik tegangan tinggi di bawah pengaruh elektron yang ditarik dari permukaan elektroda. Mereka berakselerasi dalam medan listrik dan ketika mereka menabrak atom netral, mereka memberikan energi kinetiknya. Jika energi ini cukup untuk merobek setidaknya satu elektron dari kulit atom netral, maka proses ionisasi terjadi.

Elektron dan ion bebas yang terbentuk membentuk plasma batang busur, yaitu saluran terionisasi tempat busur terbakar dan memastikan pergerakan partikel yang berkelanjutan. Dalam hal ini, partikel bermuatan negatif, terutama elektron, bergerak ke satu arah (menuju anoda), dan atom dan molekul gas kehilangan satu atau lebih elektron - partikel bermuatan positif - ke arah yang berlawanan (menuju katoda).

Konduktivitas plasma dekat dengan logam.

Arus besar mengalir di poros busur dan suhu tinggi tercipta.Temperatur silinder busur ini mengarah pada ionisasi termal - proses pembentukan ion akibat tumbukan molekul dan atom dengan energi kinetik tinggi pada kecepatan tinggi pergerakannya (molekul dan atom pada medium tempat busur terbakar hancur menjadi elektron dan secara positif ion bermuatan). Ionisasi termal yang intens mempertahankan konduktivitas plasma yang tinggi. Oleh karena itu, penurunan tegangan di sepanjang busur kecil.

Dalam busur listrik, dua proses terus berlangsung: selain ionisasi, juga deionisasi atom dan molekul. Yang terakhir terjadi terutama melalui difusi, yaitu transfer partikel bermuatan ke lingkungan dan rekombinasi elektron dan ion bermuatan positif, yang berkumpul kembali menjadi partikel netral dengan kembalinya energi yang dihabiskan untuk disintegrasi mereka. Dalam hal ini, panas dibuang ke lingkungan.

Dengan demikian, tiga tahap dari proses yang dipertimbangkan dapat dibedakan: pengapian busur, ketika karena kejutan ionisasi dan emisi elektron dari katoda, pelepasan busur dimulai dan intensitas ionisasi lebih tinggi daripada deionisasi, pembakaran busur yang stabil didukung oleh ionisasi termal dalam silinder busur ketika intensitas ionisasi dan deionisasi sama, hilangnya busur ketika intensitas deionisasi lebih tinggi daripada ionisasi.

Metode memadamkan busur pada perangkat sakelar listrik

Untuk memutuskan elemen rangkaian listrik dan mengecualikan kerusakan pada perangkat sakelar, perlu tidak hanya membuka kontaknya, tetapi juga memadamkan busur yang muncul di antara keduanya. Proses pemadaman busur, serta pembakaran, dengan arus bolak-balik dan arus searah berbeda.Ini ditentukan oleh fakta bahwa dalam kasus pertama arus dalam busur melewati nol setiap setengah siklus. Pada saat-saat ini, pelepasan energi dalam busur berhenti dan busur secara spontan padam dan kemudian menyala kembali setiap saat.

Dalam praktiknya, arus dalam busur menjadi mendekati nol sedikit lebih awal daripada persimpangan nol, karena saat arus berkurang, energi yang disuplai ke busur berkurang, dan suhu busur berkurang dan ionisasi termal berhenti. Dalam hal ini, proses deionisasi berlanjut secara intensif di celah busur. Jika Anda membuka dan membuka kontak dengan cepat saat ini, gangguan listrik selanjutnya mungkin tidak terjadi dan sirkuit akan terputus tanpa busur. Namun dalam praktiknya, ini sangat sulit dilakukan, dan oleh karena itu tindakan khusus diambil untuk mempercepat kepunahan busur, untuk memastikan pendinginan ruang busur dan untuk mengurangi jumlah partikel bermuatan.

Sebagai hasil dari deionisasi, kekuatan dielektrik celah secara bertahap meningkat dan pada saat yang sama tegangan pemulihan di dalamnya meningkat. Rasio dari nilai-nilai ini tergantung pada apakah pelangi akan menyala pada paruh periode berikutnya atau tidak. Jika kekuatan dielektrik celah meningkat lebih cepat dan lebih besar dari tegangan pemulihan, busur tidak akan menyala lagi, jika tidak, busur yang stabil akan disediakan. Kondisi pertama mendefinisikan masalah pendinginan busur.

Metode pendinginan busur yang berbeda digunakan di switchgear.

Memperpanjang busur

Jika kontak menyimpang selama pemutusan sirkuit listrik, busur yang dihasilkan diregangkan.Pada saat yang sama, kondisi pendinginan busur ditingkatkan karena luas permukaannya meningkat dan lebih banyak tegangan diperlukan untuk pembakaran.

Memisahkan busur panjang menjadi serangkaian busur pendek

Jika busur yang terbentuk saat kontak terbuka dibagi menjadi K busur pendek, misalnya dengan menarik ke dalam kisi logam, maka akan padam. Biasanya, busur dimasukkan ke dalam kisi logam di bawah pengaruh medan elektromagnetik yang diinduksi dalam pelat kisi oleh arus eddy. Metode pemadaman busur ini banyak digunakan pada switchgear untuk tegangan di bawah 1 kV, khususnya pada sakelar udara otomatis.

Pendinginan busur di slot sempit

Memadamkan busur kecil difasilitasi. Oleh karena itu, di beralih perangkat peluncuran busur dengan slot longitudinal banyak digunakan (sumbu slot seperti itu bertepatan dengan sumbu silinder busur). Kesenjangan seperti itu biasanya terbentuk di ruang yang terbuat dari bahan isolasi tahan busur. Karena kontak busur dengan permukaan dingin, terjadi pendinginan yang intens, difusi partikel bermuatan di lingkungan dan, karenanya, deionisasi cepat.

Selain slot dengan dinding paralel datar, slot dengan tulang rusuk, tonjolan, ekstensi (kantong) juga digunakan. Semua ini mengarah pada deformasi silinder busur dan meningkatkan area kontaknya dengan dinding ruangan yang dingin.

Busur ditarik ke dalam slot sempit biasanya oleh medan magnet yang berinteraksi dengan busur, yang dapat dianggap sebagai konduktor pembawa arus.

Luar Medan gaya untuk memindahkan busur paling sering disediakan oleh koil yang dihubungkan secara seri dengan kontak di mana busur terjadi.Pendinginan busur slot sempit digunakan di perangkat untuk semua voltase.

Pemadaman busur tekanan tinggi

Pada suhu konstan, derajat ionisasi gas menurun dengan meningkatnya tekanan, sedangkan konduktivitas termal gas meningkat. Semua hal lain dianggap sama, ini menghasilkan pendinginan busur yang lebih baik. Pemadaman busur dengan tekanan tinggi, yang dibuat oleh busur itu sendiri di ruang tertutup rapat, banyak digunakan pada sekering dan sejumlah perangkat lainnya.

Pendinginan busur dalam minyak

Jika berpindah kontak ditempatkan dalam minyak, busur yang terjadi saat dibuka menyebabkan penguapan minyak yang intens. Akibatnya, gelembung gas (amplop) terbentuk di sekitar busur, yang sebagian besar terdiri dari hidrogen (70 ... 80%), serta uap minyak. Gas yang dipancarkan menembus langsung ke area silinder busur dengan kecepatan tinggi, menyebabkan pencampuran gas dingin dan panas di dalam gelembung, memberikan pendinginan intensif dan, karenanya, deionisasi celah busur. Selain itu, kemampuan deionisasi gas meningkatkan tekanan di dalam gelembung yang tercipta selama penguraian cepat minyak.

Intensitas proses pemadaman busur pada oli semakin tinggi semakin dekat busur bersentuhan dengan oli dan semakin cepat oli bergerak relatif terhadap busur. Mempertimbangkan hal ini, celah busur dibatasi oleh perangkat isolasi tertutup - saluran busur... Di ruang ini, kontak oli yang lebih dekat dengan busur dibuat, dan dengan bantuan pelat isolasi dan lubang pelepasan, saluran kerja terbentuk melalui mana pergerakan minyak dan gas, memberikan ledakan intensif (blowout) dari busur.

Peluncuran busur sesuai dengan prinsip operasi, mereka dibagi menjadi tiga kelompok utama: dengan hembusan sendiri, ketika tekanan tinggi dan kecepatan gerakan gas tercipta di area busur karena energi yang dilepaskan di busur, dengan hembusan oli secara paksa dengan bantuan mekanisme hidrolik pemompaan khusus, dengan pendinginan magnetik dalam oli, ketika busur berada di bawah aksi medan magnet, ia bergerak ke celah sempit.

Peluncur busur yang menggembung sendiri paling efektif dan sederhana... Bergantung pada lokasi saluran dan bukaan knalpot, ruang dibedakan di mana hembusan intensif dari campuran gas-uap dan oli di sepanjang arus busur (hembusan memanjang) atau melalui busur (tiupan melintang) disediakan). Metode pemadaman busur yang dipertimbangkan banyak digunakan pada pemutus sirkuit untuk tegangan di atas 1 kV.

Metode lain untuk memadamkan busur pada perangkat untuk tegangan di atas 1 kV

Selain metode pemadaman busur di atas, mereka juga menggunakan: udara terkompresi, aliran yang meniup busur sepanjang atau melintang, memastikan pendinginan yang intens (alih-alih udara, gas lain digunakan, sering diperoleh dari penghasil gas padat bahan - serat, plastik vinil, dll. - karena penguraiannya oleh busur yang terbakar itu sendiri), SF6 (sulfur heksafluorida), yang memiliki kekuatan listrik lebih tinggi daripada udara dan hidrogen, akibatnya busur yang terbakar dalam gas ini, bahkan pada tekanan atmosfer, dengan cepat padam, gas yang sangat dijernihkan (vakum) ketika kontak dibuka, di mana busur tidak tidak menyala (padam) setelah aliran pertama arus melalui nol.