stringtranslate.com

Подавление дуги

Подавление дуги — это уменьшение энергии электрической дуги [1] [2] [3] [4] [5] , которая возникает при размыкании и замыкании токопроводящих контактов. Электрическая дуга — это искусственный непрерывный дуговой разряд, состоящий из высокоэнергетических электронов и ионов, поддерживаемых электрическим током не менее 100 мА; не путать с электрической искрой . [6]

Обзор

Каждый раз, когда электросиловое устройство (например, нагреватели, лампы, двигатели, трансформаторы или аналогичные силовые нагрузки) включается или выключается, его выключатель, реле или контактор переходит либо из ЗАМКНУТОГО в ОТКРЫТОЕ состояние (« РАЗРЫВ »), либо из ОТКРЫТОГО в ЗАКРЫТОЕ состояние (« ЗАМКНУТ »), под нагрузкой между двумя контактными точками (электродами) выключателя возникает электрическая дуга.

Существует две различные формы дугового разряда электронного контакта, каждая из которых определяется соответствующим механизмом инициирования дуги (обратите внимание, что инициирование дуги не то же самое, что и зажигание плазмы; т. е. дуги инициируются до того, как зажигается их плазма). Два типа механизмов инициирования контактной дуги: 1. Дуга, инициированная термоионной эмиссией (T-дуга), рождается из тока и инициируется около V(T-Arc_init_min), а плазма T-дуги поддерживается на уровне или выше минимального тока дуги I(arc_plasma_min). 2. Дуга, инициированная электронной автоэмиссией (F-дуга), рождается из напряжения и инициируется около V(F-Arc_init_min), а плазма F-дуги поддерживается на уровне или выше минимального тока дуги I(arc_plasma_min). Как T-дуги, так и F-дуги требуют комбинации минимального напряжения зажигания дуги и минимального тока поддержки плазмы дуги от 300 мА до 1000 мА. Мы называем эти комбинации тока и напряжения соответствующими доменами T-дуги и F-дуги.
Области существования дуг, инициируемых термоэлектронной эмиссией («T-дуги») и дуг, инициируемых электронно-автоэлектронной эмиссией («F-дуги»)

Температура образующейся электрической дуги очень высока (десятки тысяч градусов), что приводит к плавлению металла на контактных поверхностях, образованию луж и миграции с током. Высокая температура дуги вызывает диссоциацию молекул окружающего газа, создавая озон , окись углерода и другие соединения. Энергия дуги медленно разрушает контактный металл, в результате чего часть материала выбрасывается в воздух в виде мелких частиц. Эта самая активность приводит к быстрой деградации материала в контактах, что приводит к выходу устройства из строя. [4] [7]

Понимание подавления дуги требует понимания как механизмов дугообразования, так и механизмов инициирования дуги. Контактные дуги являются либо дугой с термоионной эмиссией (« T-дуга »), либо дугой с полевой эмиссией (« F-дуга ») и поддерживаются непрерывной подачей питания (например, дуговой сварщик или ксеноновая дуговая лампа).:

  1. T -дуга рождается из тока и инициируется около V (T-Arc_init_min) , а плазма T-дуги поддерживается на уровне или выше минимального тока дуги I (arc_plasma_min) . [8]
  2. F -дуга рождается из напряжения и запускается около V (F-Arc_init_min) , а плазма F-дуги поддерживается на уровне или выше минимального тока дуги I (arc_plasma_min) . [8]

Хотя дуга возникает как во время РАЗРЫВА , так и во время ЗАМЫКАНИЯ , дуга разрыва обычно более энергична и, следовательно, более разрушительна. [8] [9] [10]

Потенциальная плазма MAKE F-дуги гаснет при первоначальном контактном ударе MAKE , за которым следует серия MAKE -отскока-T-дуг.

Возникновение дуги во время контактаДЕЛАТЬ

Во время контакта MAKE инициирование F-дуги происходит, когда движущийся электрод приближается к неподвижному электроду. Затем плазма MAKE F-дуги воспламеняется и быстро гаснет в момент контактного удара. Этот начальный удар приводит к серии усиленных давлением плазмы отскоков MAKE , каждый из которых приводит к T-дуге . Эти отскоки продолжаются до тех пор, пока контакт не будет микросварен в ЗАМКНУТОМ положении. (Обратите внимание, что «подавление дуги» не означает «устранение дуги», поскольку некоторые крошечные дуги («дуги») дают полезные микросварки. Эти микросварки являются желаемой и важной характеристикой силового контакта, поскольку они обеспечивают виброустойчивые, низкоомные и непостоянные соединения электродов.) [8] [9] [10]

« Дуга РАЗРЫВА » состоит из начальной T-дуги РАЗРЫВА , а затем расширяется на от одной до, возможно, тысяч F-дуг РАЗРЫВА , пока контакт не остановится в состоянии РАЗОМКНУТ.

Возникновение дуги во время контактаПЕРЕРЫВ

"BREAK Arc " состоит из начальной BREAK T-дуги , которая может быть расширена серией BREAK F-дуг . Начальная BREAK T-дуга создается после взрыва перегретого расплавленного металлического моста, который держал ток, когда контакт начинает открываться. Когда плазма BREAK T-дуги гаснет и ток прерывается, индуктивность в контуре увеличивает продолжительность " BREAK Arc", инициируя серию BREAK F-дуг , которые продолжаются до тех пор, пока зазор между контактами не расширится за пределы термодинамической способности поддерживать горящую плазму. [8] [9] [10]

Использует

Существует несколько возможных областей применения методов подавления дуги, среди которых напыление и напыление металлической пленки , электростатические процессы, где электрические дуги нежелательны (например, порошковая окраска ), очистка воздуха и подавление дуги контактного тока. В промышленной, военной и бытовой электронике последний метод обычно применяется к таким устройствам, как электромеханические силовые выключатели, реле и контакторы. В этом контексте подавление дуги представляет собой защиту контактов .

Защита от контактов

Физические эффекты искрения контактов — слева направо: безупречный неиспользованный контакт; неисправный контакт после < 100 тыс. неподавленных циклов (т.е. типичное использование); использованный контакт в отличном состоянии после 100 тыс. подавленных циклов; использованный контакт все еще в отличном состоянии после 1 миллиона подавленных циклов (улучшение в 10 раз).

Методы защиты контактов предназначены для уменьшения износа и деградации, возникающих в процессе предполагаемого использования контактов в электромеханическом переключателе , реле или контакторе, и, таким образом, предотвращения чрезмерного увеличения сопротивления контактов или преждевременного выхода переключателя из строя.

Подавление дуги является областью интересов в инженерии из-за разрушительного воздействия электрической дуги на электромеханические силовые переключатели, реле и контактные точки контакторов. [ 11] Существует много форм «подавление дуги», которые обеспечивают защиту контактов в приложениях, работающих при токе менее 1 Ампера . Большинство из них, однако, более точно считаются «подавлением переходных процессов» и, следовательно, неэффективны ни для подавления дуги, ни для защиты контактов. [12] [13]

Эффективность

Снимки экрана осциллографа, измеряющего энергию дуги: ток показан синей линией (синусоидальная волна), 2 В/дел = 5 А/дел; напряжение показано красной линией , 10 В/дел.
(слева) Неподавленная электрическая дуга переменного тока
(справа) Идентичная дуга с подавлением.

Эффективность решения по подавлению дуги для защиты контактов можно оценить с помощью коэффициента подавления контактной дуги («CASF») [14] [15], сравнив расчетную энергию дуги неподавленной с энергией подавленной дуги:

CASF = W (дуга) / W (дуга)

Где W (arc) = Неподавленная энергия дуги и W (arclet) = Подавленная энергия дуги. Неподавленная и подавленная энергия дуги должны быть получены графически из измерений осциллографа. Неподавленная и подавленная энергия дуги выражается в ватт-секундах [Втс] или джоулях [Дж]. Результирующий коэффициент подавления контактной дуги [CASF] является безразмерным.

Тестовая установка для определения коэффициента гашения контактной дуги (CASF). Результаты, полученные с помощью этой испытательной установки, позволяют определить эффективность гашения контактной дуги на электромеханическом реле или контакторе.

W (дуга) = V (дуга) × I (дуга) × T (дуга)

Где V (дуга) : напряжение горения дуги, I (дуга) : ток горения дуги, приблизительно равен I (нагрузка) , где I (нагрузка) может находиться в диапазоне от нескольких ампер [А] до килоампер [кА]; и T (дуга) : длительность горения дуги, может быть порядка микросекунд [мкс] до секунд [с].

W (дуга) = V (дуга) × I (дуга) × T (дуга)

Где V (дуга) : напряжение зажигания дуги, зависящее от контактного металла. Например, около 12 В для оксида серебра, индия и олова; I (дуга) : ток дуги, приблизительно равен I (нагрузка) и может находиться в диапазоне от нескольких ампер [А] до килоампер [кА]; и T (дуга) : длительность горения дуги, порядка нескольких микросекунд [мкс].

Электрическую дугу на контактах электромеханического реле можно эффективно измерить с помощью осциллографа, подключенного к дифференциальному датчику напряжения на контактах реле и высокоскоростному датчику тока для измерения тока через контакты во время работы под нагрузкой. [14] [15]

В качестве альтернативы электрическую дугу можно также визуально наблюдать на электромеханическом силовом выключателе, реле и контакторе с видимыми контактами, когда контакты размыкаются и замыкаются под нагрузкой.

Обычные устройства

Обычные устройства, которые могут быть достаточно эффективными гасителями дуги в приложениях, работающих при силе тока ниже 2 ампер, включают конденсаторы , демпферы , диоды , стабилитроны , варисторы и гасители переходного напряжения . [12] [16] [17] Решения для гашения контактной дуги, которые считаются эффективными в приложениях, работающих при силе тока более 2 ампер, включают:

  1. Электронный гаситель дуги силового контакта
  2. Твердотельные реле не являются электромеханическими, не имеют контактов и, таким образом, не создают электрических дуг. [18]
  3. Гибридные силовые реле
  4. Гибридные силовые контакторы

Специализированные устройства

Электронный дугогаситель с силовым контактом, подключенный параллельно контакту реле или контактора (рис. 1 выданного патента US 8,619,395 B2)

Схема цепи является частью выданного патента на электронный дугогаситель силовых контактов, предназначенный для защиты контактов электрических реле или контакторов . Он подавляет дуги, обеспечивая альтернативный путь вокруг контактов при их размыкании или замыкании. [19] [20]

Некоторые контактные дугогасители работают, подключенные исключительно к защищаемому контакту, в то время как другие контактные дугогасители также подключены к катушке контактора, чтобы обеспечить подавитель дополнительным входным сигналом о работе контакта.

Преимущества подавления дуги

Методы подавления дуги могут дать ряд преимуществ: [20]

  1. Минимизировано повреждение контактов от искрения и, следовательно, снижена частота технического обслуживания, ремонта и замены.
  2. Повышенная надежность контакта.
  3. Снижение тепловыделения, что приводит к уменьшению необходимости в мерах по управлению теплом, таких как вентиляция и вентиляторы.
  4. Сокращение выбросов озона и загрязняющих веществ.
  5. Снижение электромагнитных помех (ЭМП) от дуг — распространенного источника излучаемых ЭМП.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Электрическая дуга". TheFreeDictionary.com . Получено 22 августа 2011 г. .
  2. ^ Мартин, TL (nd). "Электрическая дуга". Архивировано из оригинала 2012-03-31 . Получено 22 августа 2011 .
  3. ^ Howatson, AM (1976). Введение в газовые разряды (второе изд.). Oxford: Pergamon Press . стр. 47–101. ISBN 9780080205755.
  4. ^ ab "Явление контактной дуги" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-08-13 . Получено 22 августа 2011 .
  5. ^ Торбус, Роберт; Хенке, Рейнхольд (01.01.2021). «ЗООПАРОК ВИДОВ ДУГИ; Дуги — это самопитающиеся плазменные горящие монстры; Искры — нет». Академический плакат AST № 4 из 16 .
  6. ^ Торбус, Роберт; Хенке, Рейнхольд (01.01.2021). «ARCS VS. SPARKS; В чем дело?». Академический плакат AST № 3 из 16 .
  7. ^ Мартин 1999, стр. 1.3
  8. ^ abcde Торбус, Роберт; Хенке, Рейнхольд (01.01.2021). «О ЗАЖИГАНИИ КОНТАКТНОЙ ДУГИ; Индуктивность в контуре не требуется!». Академический плакат AST № 12 из 16 .
  9. ^ abc Национальная ассоциация производителей реле, Справочник инженеров по реле, NARM, 8-е издание, 1980, стр. 245
  10. ^ abc Мартин, Перри Л. (1999). Справочник по анализу отказов электроники . McGraw-Hill . С. 16.1–16.29.
  11. ^ Tyco P&B, Контактная информация по феномену ARC, Tyco Electronics Corporation – P&B, Уинстон-Сейлем, Северная Каролина, Замечание по применению 13C3203, стр. 1-3
  12. ^ ab Thorbus, Robert; Henke, Reinhold (2021-01-01). "ЧТО ТАКОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ДУГИ? Три исторических интерпретации и наши выводы". Академический плакат AST № 5 из 16 .
  13. ^ Торбус, Роберт; Хенке, Рейнхольд (01.01.2021). "RC-SNUBBER, переработанный". Академический плакат AST № 6 из 16 .
  14. ^ ab "Коэффициент подавления дуги | Технологии подавления дуги". arcsuppressiontechnologies.com . Получено 13.06.2023 .
  15. ^ ab Хенке, Рейнхольд; Торбус, Роберт. «ПОДАВЛЕНИЕ ДУГИ КОНТАКТА ПИТАНИЯ; Насколько эффективны демпферы?». www.academia.edu . Получено 13.06.2023 .
  16. ^ Tyco P&B, Relay Contact Life, Tyco Electronics Corporation – P&B, Уинстон-Сейлем, Северная Каролина, Application Note 13C3236, стр. 1-3
  17. ^ Хенке, Рейнхольд; Торбус, Роберт (01.05.2021). «ФАКТЫ И МИФЫ ДУГОВОГО ПОДАВЛЕНИЯ; Внесение ясности в решение неопределенности и путаницы». www.academia.edu . Получено 14.06.2023 .
  18. ^ Национальная ассоциация производителей реле, Справочник инженеров по реле, NARM, 8-е издание, 1980 г., Глава 13.
  19. ^ US8619395B2, Хенке, Рейнхольд, «Двухконтактный дугогаситель», выдан 31.12.2013  , передан Arc Suppression Technologies.
  20. ^ ab "Особенности и преимущества подавления дуги" . Получено 6 декабря 2013 г.

Дальнейшее чтение