قوس الکتریکی چیست

قوس الکتریکی و روش های کاهش آن

قوس الکتریکی چیست؟

در حین باز کردن کنتاکت های حامل جریان در یک مدارشکن یا قطع کننده مدار (کلید برق)، محیط بین کنتاکت های باز به شدت یونیزه می شود که از طریق آن جریان قطع کننده مسیر مقاومتی پایینی پیدا می کند و به حرکت خود در این مسیر ادامه می دهد، حتی وقتی که کنتاکت ها به طور فیزیکی از هم جدا می شوند. در طول عبور جریان از یک سطح تماس به سطح دیگر، مسیر آن چنان گرم می شود که می درخشد. به این پدیده قوس الکتریکی می گویند. در این مقاله به بررسی این پدیده در تابلو برق و روش های کنترل و خاموش کردن آن می پردازیم، با آداک همراه باشید.

قوس الکتریکی در تابلو برق

هر زمان که کنتاکت های جریان مدارشکن باز است، یک قوس در کلید برق بین دو سر کنتاکت های جداکننده ایجاد می شود. تا زمانی که این قوس در بین کنتاکت ها برقرار باشد، جریان عبوری از مدارشکن در نهایت قطع نمی شود. زیرا قوس الکتریکی به نوبه خود یک مسیر رسانای الکتریسیته است. برای قطع کامل جریان در سیرکویت بریکر، خاموش کردن قوس در سریع ترین زمان ممکن ضروری است. معیار اصلی طراحی یک circuit breaker، ارائه فناوری مناسب خاموش کردن قوس در مدار شکن برای رفع سریع و ایمن قطع جریان است. بنابراین قبل از بررسی تکنیک های مختلف خاموش کردن قوس ایجاد شده در مدارشکن، باید سعی کنیم بفهمیم قوس چیست و نظریه اولیه قوس در مدار شکن چیست، اجازه دهید در ادامه درباره آن بحث کنیم.

قوس الکتریکی در تابلو برق

چرا قوس الکتریکی مهم است؟

دمای ناشی از آرک در یک هادی درون تابلو برق می تواند تا 35 هزار درجه فارنهایت برسد. انرژی فوق العاده ای که در نتیجه این خطا رها می شود، می تواند در کسری از ثانیه از طریق هادی تابلو برق به بخش های دیگر سرایت کند. در نتیجه خطر آتش سوزی، انفجار، برق گرفتگی و بروز آسیب جدی به سیستم کاملاً محتمل است. بنابراین باید آن را کنترل نمود.

یونیزاسیون حرارتی گاز

تعداد زیادی الکترون و یون آزاد در یک گاز در دمای اتاق به دلیل اشعه ماوراء بنفش، پرتوهای کیهانی و رادیواکتیویته زمین وجود دارند. با این وجود، تعداد این الکترون‌ها و یون‌های آزاد آنقدر کم است که برای حفظ رسانایی الکتریسیته هوا در حالت عادی کافی نیستند. همچنین مدنظر داشته باشید که مولکول های گاز به طور تصادفی در دمای اتاق حرکت می کنند. مشخص شده است که یک مولکول هوا در دمای 300 درجه کلوین (دمای اتاق) به طور تصادفی با سرعت متوسط تقریبی 500 متر در ثانیه حرکت می کند و با سرعت 1010 بار در ثانیه با مولکول های دیگر برخورد می کند.

قوس الکتریکی یا آرک

پلاسما نتیجه یونیزه شدن هوا

این مولکول‌های متحرک تصادفی به شیوه‌ای بسیار مکرر با یکدیگر برخورد می‌کنند، اما انرژی جنبشی مولکول‌ها برای استخراج یک الکترون از اتم‌های و مولکول‌های دیگر کافی نیست. در صورت افزایش دمای محیط، هوا گرم می شود و در نتیجه سرعت مولکول ها افزایش می یابد. سرعت بالاتر به معنای ضربه بیشتر در هنگام برخورد بین مولکولی است. در این وضعیت برخی از مولکول ها به اتم ها تبدیل می شوند. اگر دمای هوا بیشتر شود، بسیاری از اتم‌ها از قابلیت نگه داشت الکترون‌های ظرفیت محروم شده و گاز را یونیزه می‌کنند. سپس این گاز یونیزه شده می تواند الکتریسیته را به دلیل داشتن الکترون آزاد کافی هدایت کند. این حالت هر گاز یا هوا پلاسما نامیده می شود. این پدیده یونیزاسیون حرارتی گاز نامیده می شود.

این مقاله جذاب و جدید را از دست ندهید: تابلو برق متال انکلوزد چیست؟

یونیزاسیون در اثر برخورد الکترون

همانطور که بیان شد، همیشه تعدادی الکترون و یون آزاد در هوا یا گاز وجود دارد. اما برای رسانایی الکتریسیته هوا کافی نیستند. هر زمان که این الکترون‌های آزاد با میدان الکتریکی قوی مواجه می‌شوند، به سمت نقاط پتانسیل بالاتر در میدان هدایت می‌شوند و سرعت کافی را به دست می‌آورند. به عبارت دیگر، الکترون ها در جهت میدان الکتریکی به دلیل گرادیان پتانسیل بالا شتاب می گیرند. در طول سفر، این الکترون ها با اتم ها و مولکول های دیگر هوا یا گاز برخورد می کنند و الکترون های اتم را از مدار خود استخراج می کنند.

قوس الکتریکی

اثر تجمیعی برخورد الکترون ها در ایجاد قوس

پس از استخراج از اتم های مادر، الکترون ها نیز به دلیل گرادیان پتانسیل در امتداد جهت همان میدان الکتریکی حرکت خواهند کرد. این الکترون ها به طور مشابه با اتم های دیگر برخورد می کنند و الکترون های آزاد بیشتری ایجاد می کنند که در امتداد میدان الکتریکی نیز هدایت می شوند. به دلیل این عمل مزدوج، تعداد الکترون های آزاد در گاز به قدری زیاد می شود که ستارگان گازی رسانای الکتریسیته هستند. این پدیده به عنوان یونیزاسیون گاز در اثر برخورد الکترون شناخته می شود.

دی یونیزاسیون گاز و قوس الکتریکی

اگر تمام علل یونیزاسیون گاز از یک گاز یونیزه شده حذف شود، با ترکیب مجدد بارهای مثبت و منفی، به سرعت به حالت خنثی خود باز می گردد. فرآیند بازترکیب بارهای مثبت و منفی به عنوان فرآیند دی یونیزاسیون شناخته می شود. در حالت دی یونیزاسیون ناشی از پخش شدگی، یون های منفی یا الکترون ها و یون های مثبت تحت تأثیر گرادیان غلظت به سمت دیواره ها حرکت می کنند و در نتیجه فرآیند نوترکیب را تکمیل می کنند.

در همین رابطه بخوانید: فیوز الکتریکی چیست؟

نقش قوس در مدار شکن

هنگامی که دو کنتاکت جریان باز هستند و آرک رخ می دهد، شکاف تماسی که از طریق آن جریان یک مسیر مقاومتی کم برای عبور پیدا کرده مثل یک پل عمل می کند. بنابراین هیچ قطع ناگهانی جریان وجود نخواهد داشت. از آنجایی که در حین باز کردن کنتاکت‌ها تغییر ناگهانی در جریان ایجاد نمی‌شود، تغییر غیرعادی ولتاژ در سیستم وجود نخواهد داشت. اگر بخواهیم فرمولی برای این پدیده بیان کنیم خواهیم داشت:

V = L.(di/dt)

i جریانی است که از کنتاکت ها درست قبل از باز شدن آن ها می گذرد و L اندوکتانس سیستم است. در آن نرخ تغییر جریان (با توجه به زمان باز شدن کنتاکت ها) به صورت di/dt بیان می شود.

قوس الکتریکی جریان متناوب

در مورد قوس الکتریکی جریان متناوب، در هر جریان صفر خاموش می شود. پس از عبور از هر جریان صفر، ماده بین کنتاکت های جدا شده دوباره در چرخه بعدی جریان یونیزه می شود و قوس در قطع کننده مدار دوباره برقرار می شود. برای ایجاد وقفه کامل و موفقیت آمیز، از این یونیزاسیون مجدد در بین کنتاکت های جدا شده پس از یک جریان صفر جلوگیری می شود.

نکته مهم درباره قوس

اگر در حین باز شدن کنتاکت های حامل جریان، آرک در قطع کننده مدار وجود نداشته باشد، قطع ناگهانی و سریع جریان ایجاد می شود که باعث تغییر ولتاژ بزرگی می شود که به اندازه کافی به عایق سیستم فشار وارد می کند. از سوی دیگر، arc یک انتقال تدریجی اما سریع از انتقال جریان به حالت های قطع فعلی کنتاکت ها را فراهم می کند.

یک مقاله مفید دیگر بخوانید: کلید مینیاتوری MCB و انواع آن

ویژگی های ستون قوس

در دمای بالا، ذرات باردار در گاز به سرعت و به طور تصادفی حرکت می کنند، اما در غیاب میدان الکتریکی، هیچ حرکت خالصی رخ نمی دهد. هرگاه میدان الکتریکی در گاز اعمال شود، ذرات باردار بر روی حرکت حرارتی تصادفی خود، سرعت رانش به دست می‌آورند. سرعت رانش متناسب با گرادیان ولتاژ میدان و تحرک ذرات است. تحرک ذرات به جرم ذره بستگی دارد. ذرات سنگین تر، تحرک را کاهش می دهند. جابه جایی همچنین به میانگین مسیرهای آزاد موجود در گاز برای حرکت تصادفی ذرات بستگی دارد. از آن جایی که هر بار که دو ذره با هم برخورد می کنند، سرعت خود را از دست می دهند و باید دوباره در جهت میدان الکتریکی شتاب بگیرند. بنابراین تحرک خالص ذرات کاهش می یابد.

ستون قوس

جابه جایی ذرات گاز و درجه یونیزاسیون

اگر گاز در فشار بالا باشد، متراکم تر می شود و از این رو، مولکول های گاز به یکدیگر نزدیک می شوند، بنابراین برخورد بیشتر اتفاق می افتد که تحرک ذرات را کاهش می دهد. جریان کل ذرات باردار با تحرک آنها نسبت مستقیم دارد. بنابراین تحرک ذرات باردار به دما، فشار گاز و همچنین ماهیت گاز بستگی دارد. باز هم جا به جایی ذرات گاز درجه یونیزاسیون گاز را تعیین می کند.

عوامل موثر در فرآیند یونیزاسیون

بنابراین از توضیحات بالا می توان گفت که فرآیند یونیزاسیون گاز به ماهیت گاز (ذرات گاز سنگین تر یا سبک تر)، فشار گاز و دمای گاز بستگی دارد. همانطور که قبلاً گفتیم شدت ستون قوس به وجود محیط یونیزه شده بین کنتاکت های الکتریکی جدا شده بستگی دارد، از این رو باید توجه ویژه ای به کاهش یونیزاسیون یا افزایش یونیزاسیون محیط بین کنتاکت ها شود. به همین دلیل است که ویژگی اصلی طراحی کلید برق، ارائه روش های مختلف کنترل فشار و روش های خنک کننده برای ماده های قوس مختلف در بین کنتاکت های مدارشکن است.

اتلاف حرارت ناشی از یک قوس

اتلاف حرارت ناشی از قوس الکتریکی در قطع کننده مدار از طریق رسانایی، همرفت و همچنین تابش صورت می گیرد. در مدارشکن با قوس ساده در روغن، تقریباً تمام اتلاف گرما ناشی از قوس در لوله ها یا شکاف های باریک رسانایی است. در قطع کننده مدار نوع ایربلست یا گازی که در آن جریان گاز بین کنتاکت های الکتریکی وجود دارد، اتلاف حرارت پلاسمای قوس الکتریکی به دلیل فرآیند همرفت رخ می دهد.

با مطالعه مقاله چک لیست نکات مهم در خرید تابلو برق با اطمینان اقدام کنید!

اتلاف حرارت ناشی از تابش قوس

در فشار معمولی، تابش عامل مهمی نیست، اما در فشار بالاتر، ممکن است به عامل بسیار مهمی برای اتلاف گرما از پلاسمای قوس الکتریکی تبدیل شود. در حین باز شدن کنتاکت های الکتریکی، قوس در مدار شکن ایجاد می شود و در هر عبور جریان از صفر خاموش می شود و سپس در چرخه بعدی دوباره برقرار می شود. خاموش شدن نهایی قوس یا خاموش شدن قوس در قطع کننده مدار با افزایش سریع استحکام دی الکتریک در محیط بین کنتاکت ها به دست می آید. به طوری که برقراری مجدد قوس پس از عبور از صفر امکان پذیر نیست. این افزایش سریع استحکام دی الکتریک در بین تماس های قطع کننده مدار یا با یون زدایی گاز در محیط قوس یا با جایگزینی گاز یونیزه شده با گاز خنک و تازه حاصل می شود.

روش های خاموش کردن قوس الکتریکی

فرآیندهای دی یونیزاسیون مختلفی برای خاموش کردن قوس در مدارشکن اعمال می شود، اجازه دهید به طور خلاصه در مورد آن صحبت کنیم.

دیونیزاسیون گاز در اثر افزایش فشار

اگر فشار مسیر قوس افزایش یابد، چگالی گاز یونیزه شده افزایش می یابد. به این معنی که ذرات موجود در گاز به یکدیگر نزدیک می شوند و در نتیجه میانگین مسیر آزاد ذرات کاهش می یابد. این نرخ برخورد را افزایش می‌دهد و همانطور که قبلاً در هر برخوردی بحث کردیم، ذرات باردار سرعت هدایت شده خود را در امتداد میدان الکتریکی از دست می‌دهند و دوباره به سمت میدان شتاب می‌گیرند. می توان گفت که روی هم رفته تحرک ذرات باردار کاهش می یابد. بنابراین ولتاژ مورد نیاز برای حفظ قوس افزایش می یابد. یکی دیگر از اثرات افزایش چگالی ذرات، نرخ بالاتر یونیزاسیون گاز به دلیل ترکیب مجدد ذرات با بار مخالف است.

دیونیزاسیون گاز در اثر کاهش دما

سرعت یونیزاسیون گاز به شدت ضربه در هنگام برخورد ذرات گاز بستگی دارد. شدت ضربه در هنگام برخورد ذرات دوباره به سرعت حرکات تصادفی ذرات بستگی دارد. این حرکت تصادفی یک ذره و سرعت آن با افزایش دمای گاز افزایش می یابد. از این رو می توان چنین نتیجه گرفت که اگر دمای گاز افزایش یابد. فرآیند یونیزاسیون آن افزایش می یابد و گزاره مخالف نیز صادق است که اگر دما کاهش یابد سرعت یونیزاسیون گاز کاهش می یابد. یعنی یونیزاسیون گاز افزایش می یابد. بنابراین ولتاژ بیشتری برای حفظ پلاسما قوس با کاهش دما لازم است. در نهایت می توان گفت که خنک کننده به طور موثر مقاومت قوس را افزایش می دهد.

سفارش ساخت تابلو برق صنعتی 

شرکت آداک بهین نیرو، به پشتوانه سال ها تجربه و کسب رضایت صدها مشتری گرامی، مفتخر به طراحی و ساخت انواع تابلو برق صنعتی می باشد. ما برای انجام سفارش ساخت تابلو برق شما در هر نقطه از ایران آمادگی کامل داریم. انواع تابلو فشار ضعیف و فشار متوسط، پست کمپکت، سینی و نردبان کابل و بدنه آماده تابلو برق در مجموعه آداک به صورت صفر تا صد طراحی و ساخته می شوند. برای مشاهده محصولات ما لطفاً از کاتالوگ آنلاین محصولات آداک دیدن فرمایید. برای سفارش ساخت تابلو برق با شماره زیر تماس حاصل فرموده و از مشاوره کارشناسان آداک بهره مند شوید:

تولید کننده تابلو برق

ساخت تابلو برق در تهران | ساخت تابلو برق در کرج

5/5 - (6 امتیاز)

روش های تماس با آداک

دفتر مرکزی: کرج، عظیمیه. بلوار 45 متری کاج، پلاک 199، واحد 1 و 3

تلفن: 02634156000

ایمیل: [email protected]

دفتر تهران: بزرگراه اشرفی اصفهانی، خیابان مخبری، پلاک 10 واحد 6

تلفن: 02144491255

ایمیل: [email protected]

کارخانه: شهرک صنعتی صفادشت، بلوار فروردین، خیابان فروردین نهم غربی، پلاک 104

تلفن: 02634156000