Das Prinzip und die Löschmethode der Lichtbogenerzeugung in elektronischen Geräten wie Sicherungen

Was ist ein Lichtbogen?

Wenn die Sicherung im Stromkreis durchbrennt und Spannung und Strom einen bestimmten Wert erreichen, ist der Sicherungseinsatz gerade geschmolzen und getrennt, und zwischen den gerade getrennten Sicherungseinsätzen entsteht ein Lichtbogen, der als Lichtbogen bezeichnet wird. Dies ist auf das starke elektrische Feld zurückzuführen, das das Gas ionisiert und den Stromfluss durch das normalerweise isolierende Medium bewirkt. Die Verwendung von Lichtbögen kann viele Anwendungen haben, beispielsweise beim Schweißen, in Lichtbogenöfen in Stahlwerken usw. Wenn der Lichtbogen jedoch in einem unkontrollierten Zustand erzeugt wird, führt dies zu Schäden an der Stromübertragung, -verteilung und an elektronischen Geräten. Wir müssen also den Lichtbogen verstehen und kontrollieren.

Zusammensetzung des Lichtbogens

1. Bogensäulenzone

Der Bogensäulenbereich ist elektrisch neutral und besteht aus Molekülen, Atomen, angeregten Atomen, positiven Ionen, negativen Ionen und Elektronen. Unter ihnen sind positiv geladene Ionen fast gleich negativ geladenen Ionen, daher wird es auch Plasma genannt. Geladene Teilchen bewegen sich im Plasma gerichtet, ohne viel Energie zu verbrauchen, weshalb sie unter Niederspannungsbedingungen hohe Ströme übertragen können. Die wichtigsten geladenen Teilchen, die Strom übertragen, sind Elektronen, die etwa 99,9 % der Gesamtzahl der geladenen Teilchen ausmachen, der Rest sind positive Ionen. Aufgrund der extrem kurzen Länge der Kathoden- und Anodenbereiche kann die Länge des Lichtbogensäulenbereichs als Lichtbogenlänge betrachtet werden. Die elektrische Feldstärke im Bereich der Lichtbogensäule ist relativ gering, normalerweise nur 5–10 V/cm.

2. Kathodenbereich

Die Kathode gilt als Elektronenquelle. Es liefert 99,9 % der geladenen Teilchen (Elektronen) an die Lichtbogensäule. Die Fähigkeit der Kathode, Elektronen zu emittieren, hat einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität des Lichtbogens. Die Länge des Kathodenbereichs beträgt 10-5-10-6cm. Wenn der Kathodenspannungsabfall 10 V beträgt, beträgt die elektrische Feldstärke des Kathodenbereichs 106–107 V/cm.

3. Anodenbereich

Der Anodenbereich ist hauptsächlich für die Aufnahme von Elektronen verantwortlich, sollte aber auch 0,1 % der geladenen Teilchen (positive Ionen) an die Lichtbogensäule liefern. Die Länge des Anodenbereichs beträgt normalerweise 10-2-10-3 cm, sodass die elektrische Feldstärke des Anodenbereichs 103-104 V/cm beträgt. Aufgrund des erheblichen Einflusses von Anodenmaterial und Schweißstrom auf den Spannungsabfall im Anodenbereich kann dieser zwischen 0 und 10 V schwanken. Wenn beispielsweise die Stromdichte hoch und die Anodentemperatur hoch ist und das Anodenmaterial verdampft, sinkt der Spannungsabfall an der Anode, sogar auf 0 V.

Eigenschaften von Lichtbögen

1. Die zur Aufrechterhaltung einer stabilen Verbrennung des Lichtbogens erforderliche Lichtbogenspannung ist sehr niedrig, und die Spannung einer 1-cm-Gleichstrombogensäule in der Atmosphäre beträgt nur 10–50 V.

2. Durch den Lichtbogen kann ein großer Strom fließen, der von einigen Ampere bis zu mehreren tausend Ampere reicht.

3. Der Lichtbogen hat eine hohe Temperatur und die Temperatur der Lichtbogensäule ist ungleichmäßig. Die Temperatur im Zentrum ist am höchsten und erreicht 6000–10000 Grad, während die Temperatur vom Zentrum weg abnimmt.

4. Lichtbögen können starkes Licht aussenden. Die Wellenlänge der Lichtstrahlung des Lichtbogens beträgt (1,7-50) × 10-7m. Es besteht aus drei Teilen: Infrarot, sichtbares Licht und ultraviolettes Licht

Klassifizierung von Lichtbögen

1. Je nach Stromart kann er in Wechselstromlichtbogen, Gleichstromlichtbogen und Impulslichtbogen unterteilt werden.

2. Je nach Zustand des Lichtbogens kann er in freien Lichtbogen und komprimierten Lichtbogen (z. B. Plasmalichtbogen) unterteilt werden.

3. Je nach Elektrodenmaterial kann es unterteilt werden in: Schmelzelektrodenlichtbogen und nicht schmelzender Elektrodenlichtbogen.

Die Gefahren von Lichtbögen

1. Das Vorhandensein von Lichtbögen verlängert die Zeit, die Schaltanlagen zum Abschalten fehlerhafter Stromkreise benötigen, und erhöht die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen im Stromnetz.

2. Die durch den Lichtbogen erzeugte hohe Temperatur schmilzt und verdampft die Kontaktfläche, wodurch das Isoliermaterial ausbrennt. Mit Öl gefüllte elektrische Geräte können auch Risiken wie Feuer und Explosion bergen.

3. Aufgrund der Tatsache, dass sich Lichtbögen unter Einwirkung elektrischer und thermischer Kräfte bewegen können. Es kann leicht zu Kurzschlüssen und Verletzungen durch Lichtbögen kommen, was zu einer Eskalation von Unfällen führt.

Das Prinzip der sechs Löschlichtbögen

1. Lichtbogentemperatur

Der Lichtbogen wird durch thermische Ionisierung aufrechterhalten, und eine Senkung der Temperatur des Lichtbogens kann die thermische Ionisierung abschwächen und die Erzeugung neuer geladener Ionen verringern. Gleichzeitig verringert es auch die Geschwindigkeit geladener Teilchen und verstärkt den Verbundeffekt. Durch schnelles Verlängern des Lichtbogens, Beblasen des Lichtbogens mit Gas oder Öl oder Inkontaktbringen des Lichtbogens mit der Oberfläche eines festen Mediums kann die Lichtbogentemperatur gesenkt werden.

2. Eigenschaften des Mediums

Die Eigenschaften des Mediums, in dem der Lichtbogen brennt, bestimmen maßgeblich die Stärke der Dissoziation im Lichtbogen. Einschließlich Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, thermisch freie Temperatur, Durchschlagsfestigkeit usw.

3. Druck des Gasmediums

Der Druck des Gasmediums hat einen erheblichen Einfluss auf die Auflösung des Lichtbogens. Denn je höher der Druck des Gases, desto höher die Konzentration der Partikel im Lichtbogen, desto kleiner der Abstand zwischen den Partikeln, desto stärker ist der Verbundeffekt und desto leichter löscht der Lichtbogen. In einer Hochvakuumumgebung verringert sich die Kollisionswahrscheinlichkeit, wodurch die Kollisionsdissoziation unterdrückt wird, während der Diffusionseffekt stark ist.

4. Kontaktmaterial

Auch das Kontaktmaterial beeinflusst den Ablösevorgang. Bei der Verwendung hochtemperaturbeständiger Metalle mit hohem Schmelzpunkt, guter Wärmeleitfähigkeit und großer Wärmekapazität als Kontakte wird die Emission heißer Elektronen und Metalldampf im Lichtbogen reduziert, was sich positiv auf die Lichtbogenlöschung auswirkt.

Die Methode zum Löschen des Lichtbogens

1. Verwenden Sie das Medium zum Löschen des Lichtbogens

Die Ablösung der Lichtbogenstrecke hängt maßgeblich von den Eigenschaften des Löschmediums um den Lichtbogen ab. Schwefelhexafluoridgas ist ein ausgezeichnetes Lichtbogenlöschmedium mit starker Elektronegativität. Es kann Elektronen schnell adsorbieren und stabile negative Ionen bilden, was der Rekombination und Ionisierung förderlich ist. Seine Lichtbogenlöschfähigkeit ist etwa 100-mal stärker als die von Luft; Vakuum (Druck unter 0,013 Pa) ist ebenfalls ein gutes Medium zum Lichtbogenlöschen. Aufgrund der geringen Anzahl neutraler Teilchen im Vakuum ist es nicht einfach, zu kollidieren und zu dissoziieren, und Vakuum begünstigt Diffusion und Dissoziation. Seine Lichtbogenlöschfähigkeit ist etwa 15-mal stärker als die von Luft.

2. Verwenden Sie Gas oder Öl, um den Lichtbogen auszublasen

Das Blasen eines Lichtbogens bewirkt die Diffusion und kühlende Rekombination geladener Teilchen im Lichtbogenspalt. In Hochspannungs-Leistungsschaltern werden verschiedene Formen von Lichtbogenlöschkammerstrukturen verwendet, um aus Gas oder Öl einen enormen Druck zu erzeugen und es mit Gewalt in Richtung der Lichtbogenstrecke zu blasen. Es gibt zwei Hauptmethoden, einen Lichtbogen zu blasen: vertikales Blasen und horizontales Blasen. Beim vertikalen Blasen handelt es sich um die Blasrichtung parallel zum Lichtbogen, wodurch der Lichtbogen dünner wird. Beim horizontalen Blasen handelt es sich um die Blasrichtung senkrecht zum Lichtbogen, wodurch der Lichtbogen verlängert und abgeschnitten wird.

3. Verwenden Sie spezielle Metallmaterialien als Lichtbogenlöschkontakte

Durch die Verwendung hochtemperaturbeständiger Metalle mit hohem Schmelzpunkt, hoher Wärmeleitfähigkeit und großer Wärmekapazität als Kontaktmaterialien kann die Emission heißer Elektronen und Metalldämpfe in Lichtbögen verringert und so die Ionisationsunterdrückung erzielt werden. Gleichzeitig erfordert das verwendete Kontaktmaterial eine hohe Lichtbogen- und Schweißbeständigkeit. Zu den gängigen Kontaktmaterialien gehören Kupfer-Wolfram-Legierung, Silber-Wolfram-Legierung usw.

4. Elektromagnetischer Lichtbogen

Das Phänomen, dass sich ein Lichtbogen unter Einwirkung elektromagnetischer Kraft bewegt, wird als elektromagnetischer Blasbogen bezeichnet. Durch die Bewegung des Lichtbogens im umgebenden Medium wird die gleiche Wirkung wie beim Blasen von Luft erzielt und somit der Zweck der Löschung des Lichtbogens erreicht. Dieses Lichtbogenlöschverfahren wird häufiger in Niederspannungsschaltanlagen eingesetzt.

5. Bewegen Sie den Lichtbogen durch den schmalen Schlitz des festen Mediums

Diese Art der Lichtbogenlöschmethode wird auch als Spaltlichtbogenlöschung bezeichnet. Durch die Bewegung des Lichtbogens im schmalen Spalt des Mediums wird dieses einerseits abgekühlt, was den Ionisationseffekt verstärkt; Andererseits verlängert sich der Lichtbogen, der Lichtbogendurchmesser verringert sich, der Lichtbogenwiderstand erhöht sich und der Lichtbogen erlischt.

6. Teilen Sie den langen Bogen in kurze Bögen

Wenn der Lichtbogen eine Reihe von Metallgittern senkrecht dazu durchquert, wird der lange Lichtbogen in mehrere kurze Bögen aufgeteilt; Der Spannungsabfall von Kurzlichtbögen fällt hauptsächlich im Anoden- und Kathodenbereich. Wenn die Anzahl der Gitter ausreicht, um sicherzustellen, dass die Summe der minimalen Spannungsabfälle, die zur Aufrechterhaltung der Lichtbogenverbrennung in jedem Segment erforderlich sind, größer ist als die angelegte Spannung, erlischt der Lichtbogen von selbst. Darüber hinaus steigt die Spannungsfestigkeit jeder Lichtbogenstrecke aufgrund des Nahkathodeneffekts nach dem Nulldurchgang des Wechselstroms plötzlich auf 150–250 V an. Durch den Einsatz mehrerer in Reihe geschalteter Lichtbogenstrecken kann eine höhere Spannungsfestigkeit erreicht werden, so dass der Lichtbogen nach dem Erlöschen im Nulldurchgang nicht erneut zündet.

7. Nehmen Sie die Lichtbogenlöschung mit mehreren Brüchen an

Jede Phase eines Hochspannungs-Leistungsschalters ist mit zwei oder mehr Unterbrechungen in Reihe geschaltet, wodurch die von jeder Unterbrechung getragene Spannung reduziert und die Kontaktunterbrechungsgeschwindigkeit verdoppelt wird, was zu einer schnellen Verlängerung des Lichtbogens führt und die Lichtbogenlöschung begünstigt.

8. Verbessern Sie die Trenngeschwindigkeit der Leistungsschalterkontakte

Die Geschwindigkeit der Lichtbogenverlängerung wurde verbessert, was sich positiv auf die Kühlung, Rekombination und Diffusion des Lichtbogens auswirkt.