Физические барьеры и диэлектрическая координация внутри предохранителя
На границе между низковольтными электроприборами и высоковольтными системами защиты физические характеристики электрической дуги всегда являются ключевым фактором проектирования. Выпадение предохранителя может привести к удлинению и охлаждению электрической дуги, что по сути представляет собой геометрическую реконструкцию и термодинамическое воздействие на плазменный канал. Когда расплавленный металл испаряется под действием тока короткого замыкания, быстро образуется начальная дуга, и ее проводимость экспоненциально возрастает с температурой. На этом этапе основная задача системы гашения дуги состоит не в борьбе с энергией, а в изменении формы и окружения дуги.
Реконструкция физического масштаба: удлинение и сегментация
Длина дуги напрямую определяет напряжение, необходимое для поддержания ее горения. В конструкциях с ограничением тока столб дуги механически растягивается за счет быстрого увеличения контактного зазора или с помощью электромагнитной силы для приведения дуги в движение.
В мостовых контактных структурах магнитное поле, создаваемое током, протекающим через контактную цепь, воздействует на дугу, а электромагнитная сила заставляет дугу быстро перемещаться наружу.
Траектория дуги принудительно удлиняется, и, соответственно, напряженность электрического поля на единицу длины уменьшается.
В некоторых предохранителях используются металлические сетки для дальнейшего разделения удлиненной дуги на несколько коротких сегментов.
Каждый короткий сегмент дуги требует падения напряжения на катоде для поддержания. Этот эффект последовательного наложения напряжений резко увеличивает общую потребность в напряжении дуги, пока оно не превысит поддерживающую мощность источника питания.
Улучшение диэлектрического контакта: охлаждение и транспозиция
Простое удлинение дуги без сопутствующего охлаждения может привести к тому, что она останется ионизированной внутри длинного канала. Именно здесь вступает в действие кварцевый песок или газообразующий материал, заполняющий предохранитель.
Структуры, заполненные кварцевым песком, используют большую удельную площадь поверхности мелких частиц; когда дуга горит внутри них, тепло быстро поглощается наполнителем.
Металлический пар диффундирует в зазоры между частицами песка, вызывая резкое падение температуры плазмы дуги и подавляя термическую ионизацию.
В предохранителях с газообразующим эффектом или в газообразующих предохранителях газообразующий материал на внутренней стенке трубки предохранителя разлагается при высоких температурах, выделяя большое количество водорода и других газов.
Поток газа под высоким давлением подается аксиально вдоль трубки, не только отводя тепло, но и непосредственно замещая ионизирующую среду в дуговом зазоре.
Удлинение приводит к снижению напряжения дуги, а охлаждение лишает дугу энергии, необходимой для поддержания ионизации. Эти две силы объединяются в ограниченном пространстве предохранителя, что затрудняет повторное зажигание дуги при превышении тока нуля.
