O princípio e método de extinção de geração de arco em dispositivos eletrônicos, como fusíveis

O que é um arco elétrico?

Quando o fusível do circuito queima, quando a tensão e a corrente atingem um determinado valor, o elo do fusível acaba de derreter e desconectar, e ocorrerá um arco entre os elos do fusível recém-separados, que é chamado de arco. É devido ao forte campo elétrico, que ioniza o gás e faz com que a corrente passe pelo meio normalmente isolante. O uso de arcos elétricos pode ter diversas aplicações, como soldagem, fornos elétricos a arco em siderúrgicas, etc. Mas se o arco for gerado em estado descontrolado, causará danos à transmissão, distribuição de energia e equipamentos eletrônicos. Portanto, devemos compreender e controlar o arco.

Composição do arco elétrico

1. Zona da Coluna do Arco

A região da coluna do arco é eletricamente neutra e composta de moléculas, átomos, átomos excitados, íons positivos, íons negativos e elétrons. Entre eles, os íons com carga positiva são quase iguais aos íons com carga negativa, por isso também é chamado de plasma. Partículas carregadas movem-se direcionalmente no plasma sem consumir muita energia, razão pela qual podem transmitir altas correntes sob condições de baixa tensão. As principais partículas carregadas que transmitem corrente são os elétrons, representando aproximadamente 99,9% do número total de partículas carregadas, sendo o restante íons positivos. Devido ao comprimento extremamente curto das regiões do cátodo e do ânodo, o comprimento da região da coluna do arco pode ser considerado como o comprimento do arco. A intensidade do campo elétrico na região da coluna do arco é relativamente baixa, geralmente apenas 5-10V/cm.

2. Área catódica

O cátodo é considerado a fonte de elétrons. Ele fornece 99,9% de partículas carregadas (elétrons) para a coluna do arco. A capacidade do cátodo de emitir elétrons tem um impacto significativo na estabilidade do arco. O comprimento da região catódica é 10-5-10-6cm. Se a queda de tensão do cátodo for 10V, a intensidade do campo elétrico da região do cátodo será 106-107V/cm.

3. Área do ânodo

A região anódica é a principal responsável pela aceitação de elétrons, mas também deve fornecer 0,1% de partículas carregadas (íons positivos) para a coluna do arco. O comprimento da região anódica é geralmente 10-2-10-3cm, então a intensidade do campo elétrico da região anódica é 103-104V/cm. Devido ao impacto significativo do material do ânodo e da corrente de soldagem na queda de tensão na região do ânodo, ela pode variar entre 0 e 10V. Por exemplo, quando a densidade de corrente é alta e a temperatura do ânodo é alta, fazendo com que o material do ânodo evapore, a queda de tensão do ânodo diminuirá, até mesmo para 0V.

Características dos arcos elétricos

1. A tensão do arco necessária para manter a combustão estável do arco é muito baixa e a tensão de uma coluna de arco CC de 1 cm na atmosfera é de apenas 10-50V.

2. Uma grande corrente pode passar pelo arco, variando de alguns amperes a vários milhares de amperes.

3. O arco tem uma temperatura alta e a temperatura da coluna do arco é irregular. A temperatura central é a mais alta, atingindo 6.000-10.000 graus, enquanto a temperatura diminui longe do centro.

4. Arcos elétricos podem emitir luz forte. O comprimento de onda da radiação luminosa do arco é (1,7-50) × 10-7m. Inclui três partes: infravermelho, luz visível e luz ultravioleta

Classificação de arcos elétricos

1. De acordo com o tipo de corrente, ela pode ser dividida em arco CA, arco CC e arco de pulso.

2. De acordo com o estado do arco, ele pode ser dividido em arco livre e arco comprimido (como arco de plasma).

3. De acordo com o material do eletrodo, ele pode ser dividido em: arco de eletrodo de fusão e arco de eletrodo sem fusão.

Os perigos dos arcos elétricos

1. A presença de arcos prolonga o tempo para o painel desconectar circuitos defeituosos e aumenta a probabilidade de curtos-circuitos no sistema de energia.

2. A alta temperatura gerada pelo arco derrete e evapora a superfície de contato, queimando o material de isolamento. Equipamentos elétricos cheios de óleo também podem apresentar riscos como incêndio e explosão.

3. Devido ao fato dos arcos elétricos poderem se mover sob a ação de forças elétricas e térmicas. É fácil causar curto-circuitos e ferimentos, levando ao aumento de acidentes.

O princípio dos seis arcos extintores

1. Temperatura do arco

O arco é mantido por ionização térmica, e a redução da temperatura do arco pode enfraquecer a ionização térmica e reduzir a geração de novos íons carregados. Ao mesmo tempo, também reduz a velocidade das partículas carregadas e aumenta o efeito composto. Ao alongar rapidamente o arco, soprando o arco com gás ou óleo, ou colocando o arco em contato com a superfície de um meio sólido, a temperatura do arco pode ser reduzida.

2. Características do meio

As características do meio em que o arco queima determinam em grande parte a força da dissociação no arco. Incluindo condutividade térmica, capacidade térmica, temperatura livre térmica, rigidez dielétrica, etc.

3. Pressão do meio gasoso

A pressão do meio gasoso tem um impacto significativo na dissociação do arco. Porque quanto maior a pressão do gás, maior a concentração de partículas no arco, menor a distância entre as partículas, mais forte será o efeito composto e mais fácil será a extinção do arco. Num ambiente de alto vácuo, a probabilidade de colisão é reduzida, o que suprime a dissociação da colisão, enquanto o efeito de difusão é forte.

4. Material de contato

O material de contato também afeta o processo de desprendimento. Ao usar metais resistentes a altas temperaturas com altos pontos de fusão, boa condutividade térmica e grande capacidade térmica como contatos, reduz a emissão de elétrons quentes e vapor metálico no arco, o que é benéfico para a extinção do arco.

O método de extinção do arco

1. Use o meio para extinguir o arco

O desprendimento da lacuna do arco depende em grande parte das características do meio extintor ao redor do arco. O gás hexafluoreto de enxofre é um excelente meio de extinção de arco com forte eletronegatividade. Ele pode adsorver elétrons rapidamente e formar íons negativos estáveis, o que conduz à recombinação e ionização. Sua capacidade de extinção de arco é cerca de 100 vezes mais forte que o ar; O vácuo (pressão abaixo de 0,013Pa) também é um bom meio para extinção de arco. Devido ao pequeno número de partículas neutras no vácuo, não é fácil colidir e dissociar, e o vácuo conduz à difusão e dissociação. Sua capacidade de extinção de arco é cerca de 15 vezes mais forte que o ar.

2. Use gás ou óleo para soprar o arco

Soprar um arco causa a difusão e recombinação de resfriamento de partículas carregadas na lacuna do arco. Em disjuntores de alta tensão, várias formas de estruturas de câmara de extinção de arco são usadas para gerar enorme pressão a partir de gás ou óleo e soprar com força em direção à abertura do arco. Existem duas maneiras principais de soprar um arco: sopro vertical e sopro horizontal. O sopro vertical é a direção do sopro paralela ao arco, o que faz com que o arco fique mais fino; O sopro horizontal é a direção do sopro perpendicular ao arco, que alonga e corta o arco.

3. Use materiais metálicos especiais como contatos de extinção de arco

O uso de metais resistentes a altas temperaturas com altos pontos de fusão, condutividade térmica e grande capacidade térmica como materiais de contato pode reduzir a emissão de elétrons quentes e vapor metálico em arcos elétricos, conseguindo assim o efeito de suprimir a ionização; O material de contato utilizado simultaneamente também requer alta resistência ao arco e à soldagem. Os materiais de contato comuns incluem liga de cobre e tungstênio, liga de prata e tungstênio, etc.

4. Sopro de arco eletromagnético

O fenômeno do arco elétrico movendo-se sob a ação da força eletromagnética é denominado arco de sopro eletromagnético. Devido ao movimento do arco no meio circundante, tem o mesmo efeito do sopro de ar, atingindo assim o objetivo de extinguir o arco. Este método de extinção de arco é mais amplamente utilizado em quadros de distribuição de baixa tensão.

5. Faça o arco se mover na fenda estreita do meio sólido

Este tipo de método de extinção de arco também é conhecido como extinção de arco fendido. Devido ao movimento do arco na fenda estreita do meio, por um lado, ele é resfriado, o que potencializa o efeito de ionização; Por outro lado, o arco é alongado, o diâmetro do arco é reduzido, a resistência do arco aumenta e o arco é extinto.

6. Separe o arco longo em arcos curtos

Quando o arco passa por uma fileira de grades metálicas perpendiculares a ele, o arco longo é dividido em vários arcos curtos; A queda de tensão de arcos curtos ocorre principalmente nas regiões do ânodo e do cátodo. Se o número de redes for suficiente para garantir que a soma das quedas de tensão mínimas necessárias para manter a combustão do arco em cada segmento seja maior que a tensão aplicada, o arco se extinguirá por si próprio. Além disso, depois que a corrente CA cruza zero, devido ao efeito quase catódico, a rigidez dielétrica de cada intervalo de arco aumenta repentinamente para 150-250V. Ao usar múltiplas lacunas de arco em série, uma maior rigidez dielétrica pode ser obtida, de modo que o arco não reacenda após ser extinto no cruzamento zero.

7. Adote extinção de arco de múltiplas fraturas

Cada fase de um disjuntor de alta tensão é conectada em série com duas ou mais interrupções, o que reduz a tensão suportada por cada interrupção e duplica a velocidade de interrupção do contato, fazendo com que o arco se alongue rapidamente e beneficiando a extinção do arco.

8. Melhore a velocidade de separação dos contatos do disjuntor

Melhorou a velocidade de alongamento do arco, o que é benéfico para o resfriamento, recombinação e difusão do arco.