مبدأ وطريقة إطفاء توليد القوس الكهربائي في الأجهزة الإلكترونية مثل الصمامات

ما هو القوس الكهربائي؟

عندما ينفجر المصهر الموجود في الدائرة، عندما يصل الجهد والتيار إلى قيمة معينة، يكون رابط المصهر قد انصهر وانفصل للتو، وسيحدث قوس بين وصلات المصهر المنفصلة للتو، وهو ما يسمى بالقوس. ويرجع ذلك إلى المجال الكهربائي القوي الذي يؤين الغاز ويتسبب في مرور التيار عبر الوسط العازل الطبيعي. يمكن أن يكون لاستخدام الأقواس الكهربائية العديد من التطبيقات، مثل اللحام وأفران القوس الكهربائي في مصانع الصلب وما إلى ذلك. ولكن إذا تم توليد القوس في حالة غير خاضعة للرقابة، فسوف يتسبب ذلك في تلف نقل الطاقة وتوزيعها والمعدات الإلكترونية. لذلك يجب علينا أن نفهم ونتحكم في القوس.

تكوين القوس الكهربائي

1. منطقة العمود القوسي

منطقة العمود القوسي محايدة كهربائيًا وتتكون من جزيئات وذرات وذرات مثارة وأيونات موجبة وأيونات سالبة وإلكترونات. ومن بينها، الأيونات الموجبة الشحنة تكاد تكون مساوية للأيونات السالبة، لذلك تسمى أيضًا بالبلازما. تتحرك الجسيمات المشحونة بشكل اتجاهي في البلازما دون استهلاك الكثير من الطاقة، ولهذا السبب يمكنها نقل تيارات عالية في ظل ظروف الجهد المنخفض. الجسيمات المشحونة الرئيسية التي تنقل التيار هي الإلكترونات، حيث تمثل حوالي 99.9% من إجمالي عدد الجسيمات المشحونة، والباقي أيونات موجبة. نظرًا للطول القصير للغاية لمناطق الكاثود والأنود، يمكن اعتبار طول منطقة عمود القوس بمثابة طول القوس. شدة المجال الكهربائي في منطقة عمود القوس منخفضة نسبيًا، عادةً ما تكون 5-10 فولت/سم فقط.

2. منطقة الكاثود

يعتبر الكاثود مصدر الإلكترونات. يوفر 99.9٪ من الجسيمات المشحونة (الإلكترونات) إلى عمود القوس. إن قدرة الكاثود على إطلاق الإلكترونات لها تأثير كبير على استقرار القوس. طول منطقة الكاثود 10-5-10-6 سم. إذا كان انخفاض جهد الكاثود 10 فولت، فإن شدة المجال الكهربائي لمنطقة الكاثود هي 106-107 فولت/سم.

3. منطقة الأنود

تعتبر منطقة الأنود مسؤولة بشكل أساسي عن قبول الإلكترونات، ولكنها يجب أن توفر أيضًا 0.1% من الجسيمات المشحونة (الأيونات الموجبة) إلى عمود القوس. يبلغ طول منطقة الأنود عادةً 10-2-10-3 سم، وبالتالي فإن شدة المجال الكهربائي لمنطقة الأنود هي 103-104 فولت/سم. نظرًا للتأثير الكبير لمادة الأنود وتيار اللحام على انخفاض الجهد في منطقة الأنود، فإنه يمكن أن يتراوح بين 0 و10 فولت. على سبيل المثال، عندما تكون كثافة التيار عالية وتكون درجة حرارة الأنود مرتفعة، مما يتسبب في تبخر مادة الأنود، فإن انخفاض جهد الأنود سينخفض، حتى إلى 0 فولت.

خصائص الأقواس الكهربائية

1. جهد القوس المطلوب للحفاظ على الاحتراق المستقر للقوس منخفض جدًا، والجهد لعمود قوس تيار مستمر 1 سم في الغلاف الجوي هو 10-50 فولت فقط.

2. يمكن أن يمر تيار كبير عبر القوس، يتراوح من بضعة أمبيرات إلى عدة آلاف من الأمبيرات.

3. القوس ذو درجة حرارة عالية، ودرجة حرارة عمود القوس غير متساوية. درجة حرارة المركز هي الأعلى حيث تصل إلى 6000-10000 درجة بينما تنخفض درجة الحرارة بعيداً عن المركز.

4. الأقواس الكهربائية يمكن أن تنبعث منها ضوء قوي. الطول الموجي للإشعاع الضوئي الصادر من القوس هو (1.7-50) × 10-7m. ويشمل ثلاثة أجزاء: الأشعة تحت الحمراء، والضوء المرئي، والأشعة فوق البنفسجية

تصنيف الأقواس الكهربائية

1. وفقا لنوع التيار، يمكن تقسيمه إلى قوس التيار المتردد، قوس التيار المستمر، وقوس النبض.

2. وفقًا لحالة القوس، يمكن تقسيمه إلى قوس حر وقوس مضغوط (مثل قوس البلازما).

3. وفقًا لمواد القطب الكهربائي ، يمكن تقسيمها إلى: قوس قطب كهربائي ذوبان وقوس قطب كهربائي غير قابل للذوبان.

مخاطر الأقواس الكهربائية

1. يؤدي وجود الأقواس إلى إطالة وقت قيام المفاتيح الكهربائية بفصل الدوائر المعيبة وزيادة احتمالية حدوث دوائر قصيرة في نظام الطاقة.

2. تعمل درجة الحرارة المرتفعة الناتجة عن القوس على إذابة وتبخير سطح التلامس، مما يؤدي إلى حرق المواد العازلة. قد تشكل المعدات الكهربائية المملوءة بالزيت أيضًا مخاطر مثل الحريق والانفجار.

3. نظرًا لأن الأقواس الكهربائية يمكن أن تتحرك تحت تأثير القوى الكهربائية والحرارية. من السهل إحداث ماس كهربائي وإصابات، مما يؤدي إلى تصاعد الحوادث.

مبدأ ستة أقواس الإطفاء

1. درجة حرارة القوس

يتم الحفاظ على القوس عن طريق التأين الحراري، ويمكن أن يؤدي خفض درجة حرارة القوس إلى إضعاف التأين الحراري وتقليل توليد أيونات مشحونة جديدة. وفي الوقت نفسه، فإنه يقلل أيضًا من سرعة الجسيمات المشحونة ويعزز التأثير المركب. من خلال إطالة القوس بسرعة، أو نفخ القوس بالغاز أو الزيت، أو ملامسة القوس لسطح وسط صلب، يمكن تقليل درجة حرارة القوس.

2. خصائص الوسط

تحدد خصائص الوسط الذي يحترق فيه القوس إلى حد كبير قوة التفكك في القوس. بما في ذلك التوصيل الحراري، والسعة الحرارية، ودرجة الحرارة الحرارية الحرة، وقوة العزل الكهربائي، وما إلى ذلك.

3. ضغط الوسط الغازي

إن ضغط وسط الغاز له تأثير كبير على تفكك القوس. لأنه كلما زاد ضغط الغاز، زاد تركيز الجزيئات في القوس، وصغرت المسافة بين الجزيئات، وأصبح التأثير المركب أقوى، وأصبح من الأسهل على القوس أن ينطفئ. في بيئة عالية الفراغ، يتم تقليل احتمالية الاصطدام، مما يمنع تفكك الاصطدام، في حين أن تأثير الانتشار قوي.

4. مادة الاتصال

تؤثر مادة الاتصال أيضًا على عملية الانفصال. عند استخدام معادن مقاومة لدرجات الحرارة العالية مع نقاط انصهار عالية، وموصلية حرارية جيدة، وسعة حرارية كبيرة كاتصالات، فإنها تقلل من انبعاث الإلكترونات الساخنة وبخار المعدن في القوس، وهو أمر مفيد لإطفاء القوس.

طريقة اطفاء القوس

1. استخدم الوسيلة لإطفاء القوس

يعتمد انفصال فجوة القوس إلى حد كبير على خصائص وسط الإطفاء حول القوس. يعتبر غاز سداسي فلوريد الكبريت وسيلة ممتازة لإطفاء القوس مع سالبية كهربائية قوية. يمكن أن يمتص الإلكترونات بسرعة ويشكل أيونات سالبة مستقرة، مما يساعد على إعادة التركيب والتأين. قدرتها على إطفاء القوس أقوى بحوالي 100 مرة من الهواء. يعد الفراغ (الضغط أقل من 0.013 باسكال) أيضًا وسيلة جيدة لإطفاء القوس. بسبب العدد الصغير من الجسيمات المحايدة في الفراغ، ليس من السهل الاصطدام والانفصال، والفراغ يساعد على الانتشار والتفكك. قدرتها على إطفاء القوس أقوى بحوالي 15 مرة من الهواء.

2. استخدم الغاز أو الزيت لتفجير القوس

يؤدي نفخ القوس إلى إعادة تجميع وتبريد الجزيئات المشحونة في فجوة القوس. في قواطع الدائرة ذات الجهد العالي، يتم استخدام أشكال مختلفة من هياكل غرفة إطفاء القوس لتوليد ضغط هائل من الغاز أو الزيت ونفخه بقوة نحو فجوة القوس. هناك طريقتان رئيسيتان لنفخ القوس: النفخ العمودي والنفخ الأفقي. النفخ العمودي هو اتجاه النفخ الموازي للقوس، مما يجعل القوس أرق؛ النفخ الأفقي هو اتجاه النفخ المتعامد مع القوس، مما يؤدي إلى استطالة القوس وقطعه.

3. استخدم مواد معدنية خاصة كوصلات إطفاء القوس

استخدام معادن مقاومة للحرارة العالية مع نقاط انصهار عالية، وموصلية حرارية، وقدرة حرارية كبيرة كمواد تلامس يمكن أن يقلل من انبعاث الإلكترونات الساخنة وبخار المعدن في الأقواس الكهربائية، وبالتالي تحقيق تأثير قمع التأين؛ تتطلب مادة التلامس المستخدمة في وقت واحد أيضًا مقاومة عالية للقوس واللحام. تشمل مواد الاتصال الشائعة سبائك التنغستن النحاسية وسبائك التنغستن الفضية وما إلى ذلك.

4. نفخ القوس الكهرومغناطيسي

وتسمى ظاهرة القوس الكهربائي الذي يتحرك تحت تأثير القوة الكهرومغناطيسية بقوس النفخ الكهرومغناطيسي. ونظراً لحركة القوس في الوسط المحيط فإنه يكون له نفس تأثير نفخ الهواء، وبالتالي يحقق الغرض من إطفاء القوس. تُستخدم طريقة إطفاء القوس هذه على نطاق واسع في المفاتيح الكهربائية ذات الجهد المنخفض.

5. اجعل القوس يتحرك في الشق الضيق للوسط الصلب

يُعرف هذا النوع من طرق إطفاء القوس أيضًا باسم إطفاء القوس الشقي. بسبب حركة القوس في الشق الضيق للوسط، من ناحية، يتم تبريده، مما يعزز تأثير التأين؛ من ناحية أخرى، يتم تمديد القوس، ويتم تقليل قطر القوس، وتزداد مقاومة القوس، وينطفئ القوس.

6. افصل القوس الطويل إلى أقواس قصيرة

عندما يمر القوس عبر صف من الشبكات المعدنية المتعامدة معه، ينقسم القوس الطويل إلى عدة أقواس قصيرة؛ يقع انخفاض الجهد للأقواس القصيرة بشكل رئيسي في مناطق الأنود والكاثود. إذا كان عدد الشبكات كافيًا للتأكد من أن مجموع انخفاضات الجهد الأدنى المطلوبة للحفاظ على احتراق القوس في كل قطعة أكبر من الجهد المطبق، فسوف ينطفئ القوس من تلقاء نفسه. بالإضافة إلى ذلك، بعد أن يتجاوز التيار المتردد الصفر، بسبب تأثير الكاثود القريب، تزداد قوة العزل الكهربائي لكل فجوة قوسية فجأة إلى 150-250 فولت. باستخدام فجوات قوسية متعددة على التوالي، يمكن الحصول على قوة عازلة أعلى، بحيث لا يشتعل القوس مرة أخرى بعد إطفائه عند نقطة الصفر.

7. اعتماد إطفاء قوس الكسور المتعددة

يتم توصيل كل مرحلة من قاطع الدائرة ذات الجهد العالي على التوالي مع فواصل أو أكثر، مما يقلل الجهد الذي يتحمله كل انقطاع ويضاعف سرعة قطع الاتصال، مما يؤدي إلى استطالة القوس بسرعة والاستفادة من إطفاء القوس.

8. تحسين سرعة فصل اتصالات قاطع الدائرة

تم تحسين سرعة إطالة القوس، وهو أمر مفيد لتبريد القوس وإعادة التركيب والانتشار.