کلید های قدرت, مقالات
قوس چیست ؟ قوس در کلید قدرت
آذر
قوس چیست ؟
در این بخش قصد داریم درمورد قوس مطالبی را در اختیار شما همراهان عزیز شرکت ماه صنعت انرژی قرار دهیم . پس در ادامه با ما همراه باشید .
در طی زمان باز شدن زبانه متحرک در کلید فضای بین دو زبانه به شدت یونیزه‌می‌شود و به دلیل این فضای یونیزه دارای مقاومت کم بوده و جریان از این مسیر جاری خواهدشد و این در حالی‌است که دو زبانه به صورت فیزیکی از هم جداشده‌اند. در طی زمانی که جریان از این مسیر عبورمی‌کند ، حرارت به شدت افزایش پیدامیکند. این موضوع قوس نامیده‌می‌شود.
قوس در کلیدقدرت :
هر زمانی که زبانه متحرک کلیدقدرت حرکت‌کند ، قوس در بین تیغه‌های متحرک آن شکل‌می‌گیرد.
تا زمانی که این قوس بین تیغه‌ها پایدارباشد جریان از طریق قطع کننده قطع نمی‌شود زیرا که قوس خود یک مسیر رسانای الکتریسیته است. برای قطع کلی جریان ، کلیدقدرت بایستی در کوتاه ترین زمان ممکنه قوس را خفه کند. اصلی ترین معیار طراحی کلیدقدرت ایجاد یک تکنولوژی مناسب برای خفه کردن قوس است تا بتواند یک قطعی پایدار را به ارمغان بیاورد. در نتیجه قبل از توجه به تکنولوژی های متنوع قطع مدار که در کلیدقدرت مورد استفاده‌می‌شود باید فلسفه اولیه قوس و قوس در کلیدقدرت را متوجه شده باشیم.
ایزولاسیون حرارتی در گاز
به علت پرتوهای فرابنفش ، پرتوهای کیهانی و رادیواکتیویته زمین تعدادی الکترون آزاد و یون در فضای داخل اتاق و در دمای محیط وجود دارد. تعداد این یون ها و الکترون‌های آزاد به قدری کم می‌باشد که قابلیت انتقال الکتریسیته را به خودی خود ندارد. ملکول های گاز به صورت تصادفی در فضای اتاق در حال حرکت می‌باشند. این موضوع مشخص شده است که در دمای اتاق (300 درجه کلوین) یک ملکول هوا با سرعت 500 متر بر ثانیه به صورت تصادفی حرکت کرده و 1000 مرتبه در ثانیه به ملکول های دیگر ضربه میزند.
این حرکت تصادفی ملکول ها و برخوردهای آن ها با یکدیگر مکررا تکرار شده اما انرژی جنبشی آن ها برای خارج کردن الکترون از مدار ملکول کافی نمی‌باشد. اگر دما افزایش پیدا کند و هوا گرم شود این سرعت حرکت افزایش پیدا می‌کند. سرعت بالاتر بیانگر تعداد برخوردهای بیشتر مابین اتم هامی‌باشد.در طی این فرایند برخی از ملکول ها به اتم تبدیل‌می‌شوند. اگر دما باز هم افزایش پیدا کند این اتم ها افزایش پیدا کرده و محیط را یونیزه می‌کنند. حالا این گاز یونیزه شده به خاطر داشتن الکترون‌های آزاد می تواند هادی الکتریسیته باشد. به این وضعیت هر گاز یا هوا پلاسما گفته‌می‌شود.
یونیزاسیون ناشی از برخورد الکترونها
همان طور که در بالا بیان شد در حالت عادی تعدادی الکترون آزاد و یون در فضا وجود دارند که برای برقراری ارتباط الکتریکی ناکافی می‌باشند. زمانی که این الکترون‌های آزاد در معرض یک میدان الکتریکی قرار بگیرند ، با سرعت بالا به سمت پتاسیل مثبت تر گسیل خواهندشد. به معنای دیگر ، الکترونها در جهت میدان الکتریکی شتاب خواهند گرفت در طی این حرکت ، این الکترونها با دیگر اتم ها و مولکول های هوا یا گاز برخورد می‌کنند و الکترون‌های ظرفیتی را از مدار خود خارج می‌کنند.
پس از خروج از اتم فعلی ، الکترونها در مسیر میدان الکتریکی قرارمی‌گیرند. این الکترونها با اتم های دیگر برخوردکرده و الکترون‌های آزاد بیشتری تولید می‌کنند که آن‌ها هم در جهت میدان باقی می مانند. با توجه به این عمل مزدوج ، تعداد الکترون‌های آزاد در گاز به حدی می‌رسد که فضای گازی برق را هدایت می‌کنند.این پدیده با نام یونیزه شدن گاز شناخته‌می‌شود.
دیونیزه سازی گاز:
اگر تمام دلایلی که گاز را یونیزه کرده است از آن جدا شود با بازترکیب بارهای مثبت و منفی گاز مجدد به حالت اصلی خود بازخواهدگشت. این پروسه بازترکیب با نام دیونیزه سازی شناخته‌می‌شود. در دیونیزاسیون با انتشار ، یونهای منفی یا الکترونها و یونهای مثبت تحت تأثیر شیب غلظت به دیوارهها منتقل‌می‌شوند و بدین ترتیب فرایند بازترکیب را تکمیل می‌کنند.
نقش قوس در کلیدقدرت:
زمانی که دو زبانه کلیدقدرت از یکدیگر جدا می‌شود یک پل قوسی ایجاد می‌شود که دارای مقاومت بسیار پایین است و باعث می‌شود جریان در سیستم به یک باره قطع نشود. از آنجایی که قطعی و یا تغییر ناگهانی جریان وجود ندارد هیچ تغییر ولتاژ غیرعادی نیز در سیستم شکل نمی‌گیرد. اگر i جریان قبل از قطع کلید باشد و L اندوکتانس سیستم باشد ولتاژ کلید زنی به اندازه V=L(di/dt) خواهد بود که بخش دوم نرخ تغییرات جریان به زمان می‌باشد. در حالت جریان متناوب جریان در زمان صفر بودن قطع خواهدشد. پس از عبور از هر صفر فعلی ، زبانه‌ها جدا شده و دوباره در چرخه بعدی جریان دوباره یونیزه‌می‌شوند و قوس در کلیدقدرت برق مجددا برقرارمی‌شود. برای موفقیت آمیز بودن این موضوع این باز یونیزه شدن صورت‌می‌گیرد.
اگر در طی باز شدن کلید قوس حضور نداشته باشد ، یک وقفه ناگهانی در جریان وجود خواهد داشت که باعث‌می‌شود ولتاژ زیاد شود و فشار کافی به عایق سیستم ایجادکند. از طرف دیگر ، قوس یک گذر تدریجی اما سریع از جریان حامل به حالت‌های شکسته کنونی زبانه‌ها را فراهم می‌کند.
ویژگی‌های ستون قوس
در دمای بالا ذرات بارشی در یک گاز به سرعت و به طور تصادفی حرکت می‌کنند ، اما در صورت عدم وجود میدان الکتریکی ، هیچ حرکت خالصی رخ نمی‌دهد. هر زمانی که میدان الکتریکی به گاز اعمال شود ، ذرات بارشی سرعت رانش را در حرکت حرارتی تصادفی خود قرارمی‌دهند.
سرعت رانش متناسب با شیب ولتاژ میدان و تحرک ذرات‌است. تحرک ذرات به جرم ذره بستگی‌دارد ، ذرات سنگین تر تحرک را کاهش‌می‌دهند. تحرک همچنین به میانگین مسیرهای آزاد موجود در گاز برای حرکت تصادفی ذرات بستگی دارد.
از آنجا که هر بار ذره ای برخوردمی‌کند ، سرعت اصلی خود را از دست می‌دهد و مجدداً در جهت میدان الکتریکی شتاب می‌یابد. از این رو تحرک ذرات شبکه کاهش می‌یابد.
اگر گاز تحت فشار باشد ، چگال ترمی‌شود و از این رو ، مولکول های گاز به یکدیگر نزدیک می‌شوند ، بنابراین برخورد بیشتر اتفاق می افتد و تحرک ذرات کم‌می‌شود. بنابراین تحرک ذرات باردار به درجه حرارت ، فشار گاز و همچنین ماهیت گاز بستگی دارد. باز هم تحرک ذرات گاز میزان یونیزاسیون گاز را تعیین می‌کند.
بنابراین از توضیحات بالا می‌توان گفت که فرایند یونیزاسیون گاز به طبیعت گاز (ذرات سنگین یا سبک تر گاز) ، فشار گاز و دمای گاز بستگی دارد.
از این رو باید توجه ویژه ای در کاهش یونیزاسیون یا افزایش دیونیزه شدن رسانا بین کنتاکت داشت.
تلفات حرارتی قوس :
تلفات حرارتی در یک کلیدقدرت از طریق هدایت ، همرفت و همچنین تابش صورت می‌گیرد. در کلیدهای قطع مدار که دارای روغن می‌باشند این حرارت به علت هدایت رخ‌می‌دهد. در کلید‌هایی که از طریق هوا و یا حضور گاز خاص مدار جذب گرما عمل می‌کند فرایند همرفت عامل ایجاد این تلفات‌است.
این افزایش سریع قدرت دی الکتریک در بین تماس‌های قطع کننده مدار یا با دیونیزاسیون گاز در رساناهای قوس یا با جایگزینی گاز یونیزه شده با گاز خنک و تازه حاصل‌می‌شود.
فرایندهای مختلف دیونیزاسیون برای خنثی کردن قوس در کلیدقدرت کاربرد دارند ، که به طور خلاصه خواهیم کرد .
دیونیزاسیون گاز به دلیل افزایش فشار:
اگر فشار مسیر قوس افزایش پیداکند ، حجم گاز یونیزه شده نیز افزایش پیدا می‌کند و اجزای گاز به یکدیگر نزدیک تر می‌شود و به معنای دیگر مسیر عبور آزاد کاهش پیدامیکند.
هر ذره مسیر خود را از دست داده و در مسیر میدان الکتریکی شروع به حرکت‌می‌کند. نکته دیگری که از این موضوع ایجادمی‌شود
افزایش نرخ دیونیزاسیون گاز است که دلیل آن ترکیب ذرات باردار مخالف‌است.
دیونیزاسیون گاز به دلیل کاهش دما:
میزان یونیزاسیون گاز به شدت ضربه در هنگام برخورد ذرات به یکدیگر بستگی دارد. شدت ضربه در هنگام برخورد ذرات دوباره به سرعت حرکت تصادفی ذرات بستگی دارد. این حرکت تصادفی یک ذره و سرعت آن با افزایش دمای گاز افزایش می‌یابد.
و به طور عکس اگر درجه حرارت کاهش یابد میزان یونیزاسیون گاز کاهش می‌یابد به معنای دیگر دیونیزاسیون گاز افزایش می‌یابد. بنابراین ولتاژ بیشتری برای حفظ پلاسما قوس با کاهش دما لازم است.
سرانجام می توان گفت که خنک کننده به طور موثری مقاومت قوس را افزایش می‌دهد.
انواع مختلفی از قطع کننده‌ها از تکنیک‌های خنک کننده متفاوتی استفاده می‌کنند که بعدا در جریان کلیدقدرت‌ها بحث خواهیم‌کرد.
مقالات مرتبط :
خواص گاز SF6 در کلیدهای قدرت پست های GIS