Vakuumlichtbogen und seine Stabilität | Extinktion des Vakuumlichtbogens | Lichtbogenplasma

Da gibt es keine solchen Medien Bogen im Vakuum Leistungsschalter unterscheidet sich vom allgemeinen Lichtbogen inSchutzschalter. Im Vakuumbogen werden die Elektronen, Ionen und Atome von den Elektroden selbst abgeleitet. Das absolute Vakuum kann praktisch nicht erzeugt werden, daher befinden sich einige Gase in der praktischen Vakuumkammer, aber der Gasdruck ist hier so niedrig, dass er im Leitungsprozess während des Lichtbogens keine wesentliche Rolle spielt. In diesem Sinne die Vakuumbogen ist also wirklich eine Metalldampfentladung. Das Vakuumbogen kann in zwei Hauptbereiche unterteilt werden, den Kathodenbereich und den Plasmabereich.

Kathodenregion des Lichtbogenplasmas

Der zur Aufrechterhaltung des Vakuumlichtbogens notwendige Dampf kommthauptsächlich von den Kathodenpunkten. Jeder Punkt trägt einen mittleren Strom, abhängig vom Kathodenmaterial, der für Kupfer etwa 100 A beträgt. Die Stromdichte an den Spots wird auf 10 geschätzt¹⁰ - 10¹¹ A / m²abhängig vom Kathodenmaterial. Die Kathodenpunkte bewegen sich auf der Kathodenoberfläche. Bei höherer Stromstärke wird die Anzahl der Kathodenpunkte erhöht, da die Bewegung paralleler Punkte abgestoßen wird und ihre Bewegungen zufälliger werden. Immer wenn sich die stromführenden Kontakte in einem Leistungsschalter öffnen, werden abhängig vom durch die Kontakte fließenden Strom Kathodenpunkte gebildet. Bei hohem Strom bilden sich mehrere Anzahlen von Kathodenpunkten, die die Hauptdampfquelle für die bilden Bogen im Vakuum Schutzschalter. Die Kathodenoberfläche ist normalerweise nicht perfekt glatt und kann viele Mikroprojektionen auf der Oberfläche haben.

Wenn stromführende Kontakte vorhanden sindIn einem Vakuum-Leistungsschalter getrennt, wird der Strom, der im Stromkreis fließt, an diesen Vorsprüngen konzentriert, da sie den letzten Kontaktpunkt bilden. Aufgrund ihrer kleinen Kontaktfläche werden die Vorsprünge ausreichend aufgeheizt, verdampfen explosionsartig und liefern den Dampf für die Lichtbogenbildung im Vakuumschalter.
Der Dampf, der an der Kathode eine hohe Dichte aufweistFleck dehnt sich in das Vakuum aus und möglicherweise in einem Abstand von 10 mm von der Kathode. Das Elektron, das den Zwischenelektrodenspalt durchquert, erfährt einen Zustand hohen Drucks in der Nähe der Kathode, wo der mittlere freie Weg ziemlich niedriger ist als derjenige des niedrigen Drucks im Plasma, wo er in der Größenordnung von 10 mm liegt. Bei niedrigen Strömen ist der Spannungsabfall im Plasmabereich mit geringem Strom vernachlässigbar. Der Spannungsgradient beträgt weniger als 0,01 V / mm. Bei hohem Strom kann der Gradient auf einige V / mm erhöht werden.

Stabilität des Vakuumlichtbogens

Der Netzfrequenzstrom fließt durchKontakte im Leistungsschalter, kreuzt 100-mal in einer Sekunde den aktuellen Nullpunkt. Es ist immer wünschenswert, den Strom zu unterbrechen, während er den Nullwert durchläuft. Andernfalls tritt ein Strom-Chopping-Effekt auf, der die Umschaltspannung im System verursachen kann. Daher ist es notwendig, den Lichtbogen so lange zu unterbrechen, wie er für eine Dauer von einem halben Zyklus stabil ist, insbesondere sollte er bestehen bleiben, wenn sich der Strom gegen Null bewegt.

Die Stabilität des Lichtbogens im Vakuumschalterhängt von den Kontaktmaterialien, dem Druck des Metalldampfs und den Schaltungsparametern wie Spannung, Strom, Induktivität und Kapazität ab. Es ist zu beobachten, dass ein höherer Dampfdruck bei niedriger Temperatur eine bessere Stabilität des Lichtbogens darstellt. Einige Metalle wie Zn, Bi zeigen auch die bessere Stabilität des Vakuumlichtbogens. Wie der Dampfdruck ist auch die Wärmeleitfähigkeit des Kontaktmaterials ein wesentlicher Faktor für die Stabilität des Vakuumlichtbogens im Leistungsschalter. Wenn das Kontaktmetall ein guter Wärmeleiter ist, fällt die Temperatur der Kontaktoberfläche schneller ab; daher wird Metalldampf schnell kondensiert, und der Vakuumbogen wird aufgrund des Dampfmangels unterbrochen. Wenn jedoch das Metall, das für die Kontakte des Leistungsschalters verwendet wird, ein schlechter Wärmeleiter ist, wird der Metalldampf nicht schnell kondensieren und der Lichtbogen geht weiter, wodurch der Vakuumlichtbogen im Leistungsschalter stabil wird. Für eine erfolgreiche und sichere Stromunterbrechung im Vakuum-Leistungsschalter sind sowohl die Lichtbogenlöschung zum richtigen Zeitpunkt als auch der stabile Lichtbogen erforderlich. Es wird beobachtet, dass das Metall mit hohem Siedepunkt und Schmelzpunkt bei hoher Temperatur niedrigen Dampf ergibt, gleichzeitig aber zu einem schlechten Leiter wird. Wiederum gibt das Metall mit niedrigen Schmelz- und Siedepunkten bei hoher Temperatur mehr Dampf ab und wird gleichzeitig ein guter Leiter. Um diese widersprüchlichen Eigenschaften in einem einzigen Material zu kombinieren, müssen Legierungen aus zwei oder mehr Metallen oder einem Metall und Nichtmetall hergestellt werden. Einige Beispiele für Legierungen, die als Materialien zur Herstellung von Kontakten für Vakuumschalter verwendet werden, sind Kupfer-Wismut, Silber-Blei, Kupfer-Blei usw.

Extinktion des Vakuumlichtbogens

Erfolgreiche Stromunterbrechung durch einen Vakuumlichtbogenhängt davon ab, wie schnell der Metalldampf in der Nähe von Strom Null in die Anode und Abschirmung kondensiert wird. Beim Stromnulldurchgang wird die Anzahl der Kathodenpunkte auf einen sehr geringen Wert verringert, wenn der Strom abfällt und bei genauem Stromnullpunkt schließlich Null wird. Die Metalldampfdichte wird auch sehr geringer, da während dieses Stroms maximaler Metalldampf in Anode und Abschirmung kondensiert wird. Die Dichte des Metalldampfs wird während des Nulldurchgangs im gesamten Spalt so gering, dass der Spalt im Wesentlichen zu einem Isolator wird, der eine erneute Ionisierung des Vakuumlichtbogens im Leistungsschalter nach dem Stromnullpunkt verhindert.