หลักการและวิธีการดับไฟของการสร้างอาร์กในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น ฟิวส์

อาร์คไฟฟ้าคืออะไร?

เมื่อฟิวส์ในวงจรขาด เมื่อแรงดันและกระแสถึงค่าที่กำหนด ตัวฟิวส์เพิ่งจะละลายและตัดการเชื่อมต่อ และส่วนโค้งจะเกิดขึ้นระหว่างตัวฟิวส์ที่เพิ่งแยกออกจากกัน ซึ่งเรียกว่าส่วนโค้ง เป็นเพราะสนามไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งทำให้ก๊าซแตกตัวเป็นไอออนและทำให้กระแสไหลผ่านตัวกลางที่เป็นฉนวนตามปกติ การใช้อาร์คไฟฟ้าสามารถนำไปใช้ได้หลายอย่าง เช่น การเชื่อม เตาอาร์กไฟฟ้าในโรงงานเหล็ก เป็นต้น แต่หากอาร์คถูกสร้างขึ้นในสภาวะที่ไม่สามารถควบคุมได้ก็จะทำให้เกิดความเสียหายต่อระบบส่งกำลัง การจำหน่าย และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นเราต้องเข้าใจและควบคุมส่วนโค้ง

องค์ประกอบของอาร์คไฟฟ้า

1. โซนอาร์คคอลัมน์

บริเวณคอลัมน์ส่วนโค้งมีความเป็นกลางทางไฟฟ้าและประกอบด้วยโมเลกุล อะตอม อะตอมที่ถูกกระตุ้น ไอออนบวก ไอออนลบ และอิเล็กตรอน ในหมู่พวกเขาไอออนที่มีประจุบวกเกือบจะเท่ากับไอออนที่มีประจุลบดังนั้นจึงเรียกว่าพลาสมา อนุภาคที่มีประจุจะเคลื่อนที่ในทิศทางในพลาสมาโดยไม่ต้องใช้พลังงานมากนัก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมอนุภาคเหล่านี้จึงสามารถส่งกระแสสูงภายใต้สภาวะแรงดันไฟฟ้าต่ำได้ อนุภาคมีประจุหลักที่ส่งกระแสไฟฟ้าคืออิเล็กตรอน ซึ่งคิดเป็นประมาณ 99.9% ของจำนวนอนุภาคมีประจุทั้งหมด โดยส่วนที่เหลือเป็นไอออนบวก เนื่องจากความยาวส่วนแคโทดและขั้วบวกมีความยาวสั้นมาก ความยาวของส่วนโค้งของคอลัมน์จึงถือได้ว่าเป็นความยาวส่วนโค้ง ความแรงของสนามไฟฟ้าในบริเวณคอลัมน์ส่วนโค้งค่อนข้างต่ำ โดยปกติจะอยู่ที่ 5-10V/cm เท่านั้น

2. พื้นที่แคโทด

แคโทดถือเป็นแหล่งกำเนิดของอิเล็กตรอน มันให้อนุภาคที่มีประจุ (อิเล็กตรอน) 99.9% ไปยังคอลัมน์ส่วนโค้ง ความสามารถของแคโทดในการปลดปล่อยอิเล็กตรอนมีผลกระทบอย่างมากต่อเสถียรภาพของส่วนโค้ง ความยาวของบริเวณแคโทดคือ 10-5-10-6 ซม. หากแรงดันแคโทดตกคือ 10V ความแรงของสนามไฟฟ้าของบริเวณแคโทดจะอยู่ที่ 106-107V/cm

3. พื้นที่แอโนด

บริเวณขั้วบวกมีหน้าที่หลักในการรับอิเล็กตรอน แต่ควรให้อนุภาคที่มีประจุ (ไอออนบวก) 0.1% เข้าสู่คอลัมน์ส่วนโค้ง ความยาวของบริเวณขั้วบวกมักจะอยู่ที่ 10-2-10-3 ซม. ดังนั้นความแรงของสนามไฟฟ้าของบริเวณขั้วบวกคือ 103-104V/cm เนื่องจากวัสดุแอโนดและกระแสเชื่อมมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อแรงดันไฟฟ้าตกในบริเวณแอโนด จึงอาจแตกต่างกันได้ระหว่าง 0 ถึง 10V ตัวอย่างเช่น เมื่อความหนาแน่นกระแสสูงและอุณหภูมิแอโนดสูง ส่งผลให้วัสดุแอโนดระเหย แรงดันแอโนดจะลดลงแม้แต่ 0V

ลักษณะของอาร์คไฟฟ้า

1. แรงดันไฟฟ้าส่วนโค้งที่จำเป็นในการรักษาการเผาไหม้ของส่วนโค้งให้คงที่นั้นต่ำมากและแรงดันไฟฟ้าของคอลัมน์ส่วนโค้ง DC 1 ซม. ในบรรยากาศเพียง 10-50V

2. กระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่สามารถไหลผ่านส่วนโค้งได้ ตั้งแต่ไม่กี่แอมแปร์ไปจนถึงหลายพันแอมแปร์

3. ส่วนโค้งมีอุณหภูมิสูง และอุณหภูมิของคอลัมน์ส่วนโค้งไม่สม่ำเสมอ อุณหภูมิตรงกลางจะสูงสุดอยู่ที่ 6,000-10,000 องศา ในขณะที่อุณหภูมิจะลดลงห่างจากศูนย์กลาง

4. ส่วนโค้งไฟฟ้าสามารถปล่อยแสงที่แรงได้ ความยาวคลื่นของการแผ่รังสีแสงจากส่วนโค้งคือ (1.7-50) × 10-7m ประกอบด้วยสามส่วน: แสงอินฟราเรด แสงที่มองเห็น และแสงอัลตราไวโอเลต

การจำแนกประเภทของอาร์กไฟฟ้า

1. ตามประเภทของกระแสสามารถแบ่งออกเป็นส่วนโค้ง AC, ส่วนโค้ง DC และส่วนโค้งของพัลส์

2. ตามสถานะของส่วนโค้ง มันสามารถแบ่งออกเป็นส่วนโค้งอิสระและส่วนโค้งที่ถูกบีบอัด (เช่นส่วนโค้งพลาสมา)

3. ตามวัสดุอิเล็กโทรดสามารถแบ่งออกเป็น: ส่วนโค้งของอิเล็กโทรดหลอมและส่วนโค้งของอิเล็กโทรดที่ไม่ละลาย

อันตรายจากอาร์คไฟฟ้า

1. การมีส่วนโค้งจะช่วยยืดเวลาให้สวิตช์เกียร์ตัดการเชื่อมต่อวงจรที่ผิดปกติและเพิ่มความน่าจะเป็นของการลัดวงจรในระบบไฟฟ้า

2. อุณหภูมิสูงที่เกิดจากส่วนโค้งจะละลายและระเหยพื้นผิวสัมผัส ส่งผลให้วัสดุฉนวนไหม้ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่เติมน้ำมันอาจก่อให้เกิดความเสี่ยง เช่น ไฟไหม้และการระเบิด

3. เนื่องจากอาร์คไฟฟ้าสามารถเคลื่อนที่ได้ภายใต้การกระทำของแรงไฟฟ้าและความร้อน ทำให้เกิดการลัดวงจรและการบาดเจ็บได้ง่าย ส่งผลให้อุบัติเหตุรุนแรงขึ้น

หลักการดับไฟหกส่วน

1. อุณหภูมิส่วนโค้ง

ส่วนโค้งจะถูกรักษาไว้โดยการแตกตัวเป็นไอออนจากความร้อน และการลดอุณหภูมิของส่วนโค้งลงอาจทำให้ไอออนไนซ์จากความร้อนลดลง และลดการสร้างไอออนที่มีประจุใหม่ได้ ในขณะเดียวกัน ยังช่วยลดความเร็วของอนุภาคที่มีประจุและเพิ่มเอฟเฟกต์คอมโพสิตอีกด้วย โดยการยืดส่วนโค้งอย่างรวดเร็ว การเป่าส่วนโค้งด้วยแก๊สหรือน้ำมัน หรือการนำส่วนโค้งสัมผัสกับพื้นผิวของตัวกลางที่เป็นของแข็ง อุณหภูมิส่วนโค้งจะลดลง

2. ลักษณะของตัวกลาง

ลักษณะของตัวกลางที่ส่วนโค้งไหม้จะเป็นตัวกำหนดความแข็งแรงของการแยกตัวในส่วนโค้งเป็นส่วนใหญ่ รวมถึงการนำความร้อน ความจุความร้อน อุณหภูมิที่ปราศจากความร้อน ความเป็นฉนวน ฯลฯ

3. แรงดันแก๊สปานกลาง

ความดันของตัวกลางก๊าซมีผลกระทบอย่างมากต่อการแยกตัวของส่วนโค้ง เนื่องจากยิ่งความดันของแก๊สสูง ความเข้มข้นของอนุภาคในส่วนโค้งก็จะยิ่งสูงขึ้น ระยะห่างระหว่างอนุภาคก็จะน้อยลง เอฟเฟกต์คอมโพสิตก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น และยิ่งทำให้ส่วนโค้งดับได้ง่ายขึ้นเท่านั้น ในสภาพแวดล้อมที่มีสุญญากาศสูง ความน่าจะเป็นของการชนจะลดลง ซึ่งยับยั้งการแยกตัวจากการชน ในขณะที่เอฟเฟกต์การแพร่กระจายมีความรุนแรง

4. วัสดุสัมผัส

วัสดุสัมผัสยังส่งผลต่อกระบวนการถอดออกด้วย เมื่อใช้โลหะทนอุณหภูมิสูงที่มีจุดหลอมเหลวสูง นำความร้อนได้ดี และความจุความร้อนสูงเป็นหน้าสัมผัส จะช่วยลดการปล่อยอิเล็กตรอนร้อนและไอของโลหะในส่วนโค้ง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการดับอาร์ก

วิธีการดับส่วนโค้ง

1. ใช้สื่อในการดับส่วนโค้ง

การหลุดออกของช่องว่างส่วนโค้งส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับลักษณะของสารดับเพลิงที่อยู่รอบส่วนโค้ง ก๊าซซัลเฟอร์เฮกซาฟลูออไรด์เป็นสารดับเพลิงชนิดอาร์กที่ดีเยี่ยมพร้อมอิเล็กโตรเนกาติวิตีสูง มันสามารถดูดซับอิเล็กตรอนได้อย่างรวดเร็วและสร้างไอออนลบที่เสถียร ซึ่งเอื้อต่อการรวมตัวกันอีกครั้งและการแตกตัวเป็นไอออน ความสามารถในการดับเพลิงส่วนโค้งนั้นแรงกว่าอากาศประมาณ 100 เท่า สุญญากาศ (ความดันต่ำกว่า 0.013Pa) ยังเป็นสื่อที่ดีสำหรับการดับอาร์ก เนื่องจากอนุภาคที่เป็นกลางในสุญญากาศมีจำนวนน้อย จึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะชนกันและแยกตัวออกจากกัน และสุญญากาศก็เอื้อต่อการแพร่กระจายและการแยกตัวออกจากกัน ความสามารถในการดับเพลิงส่วนโค้งนั้นแรงกว่าอากาศประมาณ 15 เท่า

2. ใช้แก๊สหรือน้ำมันเป่าอาร์ค

การเป่าส่วนโค้งทำให้เกิดการแพร่กระจายและการรวมตัวกันอีกครั้งของอนุภาคที่มีประจุในช่องว่างส่วนโค้ง ในเซอร์กิตเบรกเกอร์ไฟฟ้าแรงสูง โครงสร้างห้องดับเพลิงแบบอาร์กหลายรูปแบบถูกนำมาใช้เพื่อสร้างแรงดันมหาศาลจากก๊าซหรือน้ำมัน และเป่าแรงไปทางช่องว่างส่วนโค้ง มีสองวิธีหลักในการเป่าส่วนโค้ง: การเป่าในแนวตั้งและการเป่าในแนวนอน การเป่าในแนวตั้งคือทิศทางการเป่าที่ขนานกับส่วนโค้งซึ่งทำให้ส่วนโค้งบางลง การเป่าในแนวนอนคือทิศทางการเป่าที่ตั้งฉากกับส่วนโค้ง ซึ่งจะยืดและตัดส่วนโค้งออก

3. ใช้วัสดุโลหะพิเศษเป็นหน้าสัมผัสในการดับเพลิง

การใช้โลหะทนอุณหภูมิสูงที่มีจุดหลอมเหลวสูง ค่าการนำความร้อน และความจุความร้อนสูงเป็นวัสดุสัมผัสสามารถลดการปล่อยอิเล็กตรอนร้อนและไอของโลหะในส่วนโค้งไฟฟ้า จึงบรรลุผลของการยับยั้งไอออไนซ์ วัสดุสัมผัสที่ใช้พร้อมกันยังต้องมีความต้านทานต่อส่วนโค้งและการเชื่อมสูง วัสดุสัมผัสทั่วไป ได้แก่ โลหะผสมทังสเตนทองแดง โลหะผสมทังสเตนเงิน ฯลฯ

4. การเป่าอาร์คแม่เหล็กไฟฟ้า

ปรากฏการณ์อาร์กไฟฟ้าเคลื่อนที่ภายใต้การกระทำของแรงแม่เหล็กไฟฟ้า เรียกว่า อาร์คเป่าแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากการเคลื่อนที่ของส่วนโค้งในตัวกลางโดยรอบ จึงมีผลเช่นเดียวกับการเป่าลม จึงบรรลุวัตถุประสงค์ในการดับส่วนโค้ง วิธีการดับเพลิงแบบอาร์คนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในสวิตช์เกียร์แรงดันต่ำ

5. ทำให้ส่วนโค้งเคลื่อนที่ในช่องแคบของตัวกลางที่เป็นของแข็ง

วิธีการดับส่วนโค้งประเภทนี้เรียกอีกอย่างว่าการดับส่วนโค้งแบบกรีด เนื่องจากการเคลื่อนที่ของส่วนโค้งในช่องแคบของตัวกลาง ในด้านหนึ่ง เส้นโค้งจึงถูกทำให้เย็นลง ซึ่งช่วยเพิ่มเอฟเฟกต์ไอออไนซ์ ในทางกลับกัน ส่วนโค้งจะยาวขึ้น เส้นผ่านศูนย์กลางส่วนโค้งจะลดลง ความต้านทานส่วนโค้งจะเพิ่มขึ้น และส่วนโค้งจะดับลง

6. แยกส่วนโค้งยาวเป็นส่วนโค้งสั้น

เมื่อส่วนโค้งผ่านแถวของตะแกรงโลหะที่ตั้งฉากกับส่วนโค้งนั้น ส่วนโค้งยาวจะถูกแบ่งออกเป็นส่วนโค้งสั้นหลายส่วน แรงดันไฟฟ้าตกของส่วนโค้งสั้นส่วนใหญ่ตกในบริเวณขั้วบวกและแคโทด หากจำนวนกริดเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่าผลรวมของแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่ลดลงซึ่งจำเป็นต่อการรักษาการเผาไหม้ของส่วนโค้งในแต่ละส่วนนั้นมากกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ส่วนโค้งจะดับลงเอง นอกจากนี้ หลังจากที่กระแสไฟ AC ข้ามศูนย์ เนื่องจากผลของแคโทดใกล้ ความเป็นฉนวนของช่องว่างส่วนโค้งแต่ละช่องจะเพิ่มขึ้นเป็น 150-250V อย่างกะทันหัน ด้วยการใช้ช่องว่างส่วนโค้งหลายช่องต่ออนุกรมกัน สามารถรับค่าความเป็นฉนวนที่สูงขึ้นได้ เพื่อที่ว่าส่วนโค้งจะไม่ติดไฟอีกครั้งหลังจากดับลงที่จุดข้ามเป็นศูนย์

7. ใช้การดับส่วนโค้งแบบหลายจุด

แต่ละเฟสของเซอร์กิตเบรกเกอร์ไฟฟ้าแรงสูงเชื่อมต่อแบบอนุกรมโดยมีการแตกตั้งแต่สองครั้งขึ้นไป ซึ่งจะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากแต่ละเบรกและเพิ่มความเร็วในการทำลายหน้าสัมผัสเป็นสองเท่า ทำให้ส่วนโค้งยาวขึ้นอย่างรวดเร็วและเป็นประโยชน์ในการดับอาร์ก

8. ปรับปรุงความเร็วในการแยกของหน้าสัมผัสเซอร์กิตเบรกเกอร์

ปรับปรุงความเร็วของการยืดส่วนโค้ง ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการระบายความร้อนของส่วนโค้ง การรวมตัวกันใหม่ และการแพร่กระจาย