Mở mạch điện

Mở mạch điện thường có nghĩa là quá trình chuyển tiếp, trong đó dòng điện mạch thay đổi từ một giá trị nhất định thành không. Trong giai đoạn mở mạch cuối cùng, một khe hở xuất hiện giữa các tiếp điểm của thiết bị ngắt kết nối, ngoài độ dẫn điện bằng 0, còn phải có độ bền điện môi đủ cao để chịu được tác động của điện áp mạch được phục hồi cho nó.

Đặc tính vật lý của phóng điện hồ quang

hồ quang điện có thể xảy ra khi khe hở giữa các điểm tiếp xúc (điện cực) bị đứt hoặc khi chúng bị hở. Khi các tiếp điểm mở ra, hồ quang giữa chúng được tạo điều kiện thuận lợi bằng cách hình thành các "đốm" phát sáng trên bề mặt tiếp xúc, đây là hệ quả của mật độ dòng điện đáng kể trên các vùng "tách biệt" nhỏ. Điều này gây ra hồ quang hình thành khi các tiếp điểm bị đứt, ngay cả ở điện áp khá thấp (khoảng vài chục vôn).

Người ta thường chấp nhận rằng các điều kiện tối thiểu để xảy ra ít nhất là hồ quang không ổn định trên các tiếp điểm là dòng điện khoảng 0,5 A và điện áp 15 — 20 V.

Việc mở các tiếp điểm ở các giá trị điện áp và dòng điện thấp hơn thường chỉ kèm theo các tia lửa điện nhỏ. Ở điện áp hở mạch cao hơn, nhưng ở dòng điện thấp hơn, có thể hình thành giữa các tiếp điểm hở phát sáng.

Sự hiện diện của phóng điện phát sáng được đặc trưng bởi sự sụt giảm đáng kể điện áp catốt (lên đến 300 V). Ví dụ, nếu phóng điện phát sáng biến thành phóng điện hồ quang, khi dòng điện trong mạch tăng lên, thì điện áp catốt giảm xuống còn 10 - 20 V.

Các tính năng đặc trưng của phóng điện hồ quang ở áp suất cao của môi trường khí là:

• mật độ dòng điện cao trong cột hồ quang;

• nhiệt độ cao của khí bên trong kênh hồ quang, đạt 5000 K và trong điều kiện khử ion mạnh, 12000 - 15000 K trở lên;

• mật độ dòng điện cao và điện áp rơi thấp ở các điện cực.

Thông thường, mục tiêu là đảm bảo quá trình mở mạch diễn ra càng nhanh càng tốt. Với mục đích này, các thiết bị chuyển mạch đặc biệt (công tắc, bộ ngắt mạch, công tắc tơ, cầu chì, bộ ngắt tải, v.v.) được sử dụng.

Hiện tượng hồ quang được quan sát thấy không chỉ trong các bộ ngắt mạch. Có thể xảy ra hồ quang điện khi các tiếp điểm bị hở. cao áp ngắt kết nối, khi lớp cách điện của các đường dây chồng lên nhau, khi các phần tử bảo vệ của cầu chì bị cháy, v.v.

Độ phức tạp của các thiết bị của các thiết bị này phụ thuộc vào các yêu cầu đặt ra cho chúng về mức điện áp hoạt động, dòng điện định mức và dòng điện ngắn mạch, mức độ quá điện áp xảy ra, điều kiện khí quyển, tốc độ định mức, v.v.

Các tính năng mở mạch điện thông qua ngắt kết nối

Câu hỏi dập tắt các vòng cung mở dài của dòng điện xoay chiều thường gặp nhất khi làm việc với các bộ ngắt kết nối đơn giản như thiết bị ngắt. Các bộ ngắt kết nối như vậy không có thiết bị triệt tiêu hồ quang đặc biệt và khi các tiếp điểm mở ra, chúng chỉ kéo dài hồ quang vào không khí.

Để cải thiện các điều kiện cho việc kéo dài hồ quang, các bộ ngắt kết nối được trang bị các điện cực dạng sừng hoặc thanh bổ sung, dọc theo đó hồ quang được nâng lên và kéo dài đến một chiều dài lớn.

Có nhiều video được tải lên trên Internet cho thấy quá trình tạo hồ quang khi các tiếp điểm của bộ ngắt kết nối mở khi tải (có thể dễ dàng tìm thấy những video này bằng cách tìm kiếm «bộ ngắt hồ quang»).

Hở hồ quang tại các bộ ngắt kết nối hoặc giữa dây dẫn và mặt đất trên đường dây điện được khuyến khích mạnh mẽ bởi gió. Khi có gió, hồ quang có thể ngắn hơn và do đó bị loại bỏ nhanh hơn so với khi không có gió.Tuy nhiên, không nên tính đến yếu tố như gió do tính không nhất quán của nó mà dựa trên các điều kiện khắc nghiệt hơn - toàn bộ vắng gió.

Với sự trợ giúp của bộ ngắt kết nối, không thể ngắt dòng điện lớn, vì hồ quang đồng thời đạt đến độ dài đáng kể, tạo thành nhiều ngọn lửa, làm chảy mạnh các tiếp điểm của thiết bị ngắt kết nối. Một hồ quang mở mạnh mẽ dễ dàng làm hỏng chất cách điện mà nó tiếp xúc, gây ra sự chồng chéo giữa các pha, dẫn đến đoản mạch trong mạng.

Dao cách ly thông thường được sử dụng rộng rãi để ngắt dòng điện mạch hở của máy biến áp nhỏ, dòng điện tải điện dung, dòng điện tải thấp, v.v.

Các cách mở mạch điện

Về nguyên tắc, các phương pháp sau đây có thể mở mạch điện với dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều.

1. Hồ quang mạch điện đơn giản

Nhóm này bao gồm các phương pháp mở mạch điện với dòng điện một chiều và xoay chiều, trong đó không có biện pháp bổ sung đặc biệt nào được thực hiện để hạn chế dòng điện trong mạch trước khi mở các tiếp điểm hoặc các biện pháp đặc biệt để giảm năng lượng hồ quang trong khe hở hồ quang của cầu dao.

Trong phương pháp mở này, các điều kiện ngắt mạch được cung cấp nhiều nhất bởi buồng dập hồ quang của thiết bị ngắt kết nối bằng cách tạo ra độ bền điện môi cần thiết của khe hở khi dòng điện đi qua điểm không (dòng điện xoay chiều) hoặc đạt giá trị đủ của điện áp hồ quang (dòng điện một chiều).

Trong quá trình tạo hồ quang, các tiếp điểm của thiết bị có thể mở ra ở bất kỳ pha nào của dòng điện chạy trong mạch, do đó, các tiếp điểm và phần tử của máng hồ quang phải được thiết kế để chịu tác động của hồ quang có công suất và năng lượng tương đối cao.

Buồng dập hồ quang cho các thiết bị điện

Circuit Breaker Arc Máng

2. Hạn chế hồ quang mở của mạch điện

Các phương pháp loại trừ như vậy bao gồm những phương pháp trong đó hoạt động tương đối lớn hoặc phản ứng, do đó dòng điện trong mạch giảm khá nhiều so với giá trị của nó tồn tại trước khi bắt đầu giới hạn. Công tắc tắt dòng điện giới hạn còn lại trong mạch.

Trong trường hợp này, một hồ quang giới hạn công suất xảy ra tại các tiếp điểm và việc dập tắt hồ quang trên dòng điện còn lại là một nhiệm vụ đơn giản hơn so với khi dòng điện không bị giới hạn.

Thông thường, chúng tôi bao gồm các phương pháp ngắt kết nối như vậy trong cùng một nhóm, trong đó pha ngắt dòng điện được cố định nghiêm ngặt hoặc thời gian cháy của hồ quang trên các tiếp điểm bị giới hạn bởi một số biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như thiết bị van, v.v.

3. Mở mạch điện không hồ quang

Quá trình mở mạch điện trong trường hợp này được đặc trưng bởi thực tế là sự phóng điện hồ quang tại các tiếp điểm chính xảy ra hoàn toàn hoặc xảy ra dưới dạng hồ quang không ổn định trong thời gian rất ngắn do ảnh hưởng của độ tự cảm và độ tự cảm lẫn nhau của các mạch . Kiểu mở mạch này thường đạt được bằng các van công suất cao (điốt silic hoặc thyristor) được sử dụng làm phần tử chuyển hướng của các tiếp điểm của bộ ngắt mạch chính.

Đặc tính dập hồ quang khi mở mạch điện DC và AC

Các điều kiện dập tắt hồ quang AC với quá trình khử ion tích cực của khe hở thiết bị chuyển mạch về cơ bản được loại trừ khỏi các điều kiện dập tắt hồ quang DC và hồ quang AC mở dài.

Trong một hồ quang cố định hoặc trong một hồ quang xen kẽ dài mở, sự tuyệt chủng xảy ra chủ yếu là do khi kéo dài hồ quang, nguồn năng lượng điện không thể bù đắp cho sự sụt giảm điện áp trong cột hồ quang, do đó xảy ra tình trạng không ổn định và hồ quang bị dập tắt.

Khi hồ quang xảy ra trong mạch điện xoay chiều, khi cột hồ quang được khử ion tích cực hoặc đứt thành một loạt hồ quang ngắn, hồ quang có thể bị dập tắt ngay cả khi nguồn vẫn có điện áp cung cấp lớn để duy trì sự cháy của hồ quang, nhưng điều đó lại tắt không đủ để đảm bảo đánh lửa—ở điểm giao nhau bằng 0 hiện tại.

Trong các điều kiện khử ion tích cực trong quá trình giao nhau bằng 0 hiện tại, độ dẫn điện của cột hồ quang giảm rất nhiều, ít nhất là trong một thời gian ngắn, phải đặt một điện áp đáng kể lên cột để bắt đầu hồ quang trong nửa chu kỳ tiếp theo.

Nếu mạch không thể cung cấp đủ điện áp và tốc độ tăng khe hở của nó, thì sau khi dòng điện vượt qua 0, dòng điện bị gián đoạn, nghĩa là hồ quang không xuất hiện trong nửa chu kỳ tiếp theo và mạch cuối cùng bị ngắt. tắt.

Sau đó xem xét những cái phổ biến nhất mở mạch hồ quang đơn giản.

Nếu điện áp và dòng điện của nguồn mạch vượt quá các giá trị tới hạn nhất định, thì tại các tiếp điểm của thiết bị ngắt điện khi chúng mở ra, xảy ra phóng điện hồ quang ổn định… Nếu các tiếp điểm phân kỳ xa hơn hoặc hồ quang được thổi vào buồng dập hồ quang của bộ ngắt kết nối, các điều kiện cháy hồ quang không ổn định sẽ được tạo ra và hồ quang có thể bị dập tắt.

Khi điện áp và dòng điện trong mạch tăng lên, khó khăn trong việc tạo ra các điều kiện hồ quang không ổn định sẽ tăng lên nhanh chóng. Ở điện áp lên tới hàng nghìn và hàng chục nghìn vôn và dòng điện tương đối cao (hàng nghìn ampe), một hồ quang rất mạnh xảy ra ở các tiếp điểm của thiết bị ngắt kết nối, để dập tắt nó và do đó ngắt mạch, phải thực hiện các biện pháp sử dụng các thiết bị dập hồ quang phức tạp hơn hoặc ít hơn ... Đặc biệt khó khăn đáng kể nảy sinh khi tắt mạch DC.

Những khó khăn đáng kể cũng phải được khắc phục trong một tảng đá. dòng điện ngắn mạch trong mạch điện xoay chiều trong khoảng thời gian ngắn (phần trăm phần nghìn giây).

Ngắt mạch nhanh và loại bỏ ngắn mạch gây ra trong lắp đặt điện được quyết định bởi một số trường hợp và trước hết là do nhu cầu duy trì sự ổn định của hoạt động. những hệ thống điện, bảo vệ dây dẫn và thiết bị khỏi tác động nhiệt của dòng điện ngắn mạch, bảo vệ các tiếp điểm và buồng hồ quang của các thiết bị ngắt kết nối khỏi tác động phá hủy của hồ quang mạnh.

Loại bỏ nhanh hồ quang mạch hở cũng rất quan trọng và trong các thiết bị cho mạch điều khiển điện áp thấp, thường được thiết kế cho một số lượng rất lớn các quy trình chuyển đổi. Việc giảm thời gian cháy hồ quang dẫn đến giảm cháy các tiếp điểm và các bộ phận khác của thiết bị và do đó, tăng tuổi thọ.

Tuy nhiên, việc loại bỏ rất nhanh hồ quang có thể dẫn đến xung đột rất lớn trong mạch vì hồ quang, khi mạch hở, sẽ hấp thụ năng lượng điện từ được lưu trữ trong mạch, năng lượng này có thể chuyển đổi thành năng lượng xung tĩnh điện. Do đó, phóng điện hồ quang có thể đóng một vai trò tích cực trong một số trường hợp. Điều này nên được tính đến.

Trước hết, vấn đề tạo ra các thiết bị ngắt kết nối điện áp cao và điện áp thấp tốc độ cao đáng tin cậy dựa trên giải pháp chính xác cho vấn đề dập tắt hồ quang trong chúng.

Sự gián đoạn của các mạch điện áp thấp và cao với sự hình thành của một hồ quang mạnh trong các tiếp điểm của các thiết bị điện là một quá trình phức tạp, nghiên cứu được dành cho một số lượng lớn các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm và phát triển thiết kế.

Có một số lượng lớn các phương pháp dập tắt hồ quang AC và DC được sử dụng trong thực tế tùy thuộc vào mức điện áp hoạt động, cường độ dòng điện, thời gian hoạt động cần thiết của thiết bị ngắt kết nối, điều kiện an toàn, v.v.

Hiện tại, hồ quang đơn giản vẫn là con đường chính mà công nghệ thiết bị chuyển mạch AC và DC điện áp cao và thấp tiếp tục sử dụng.

Xem thêm:Cầu dao chân không điện áp cao — Thiết kế và nguyên lý hoạt động