Le principe et la méthode d'extinction de la génération d'arc dans les appareils électroniques tels que les fusibles

Qu'est-ce qu'un arc électrique ?

Lorsque le fusible du circuit saute, lorsque la tension et le courant atteignent une certaine valeur, le fusible vient de fondre et de se déconnecter, et un arc se produit entre les fusibles qui viennent d'être séparés, appelé arc. Cela est dû au fort champ électrique qui ionise le gaz et fait passer le courant à travers le milieu normalement isolant. L'utilisation d'arcs électriques peut avoir de nombreuses applications, telles que le soudage, les fours à arc électrique dans les aciéries, etc. Mais si l'arc est généré dans un état incontrôlé, il endommagera le transport, la distribution et les équipements électroniques. Il faut donc comprendre et contrôler l'arc.

Composition de l'arc électrique

1. Zone de colonne d'arc

La région de la colonne d’arc est électriquement neutre et composée de molécules, d’atomes, d’atomes excités, d’ions positifs, d’ions négatifs et d’électrons. Parmi eux, les ions chargés positivement sont presque égaux aux ions chargés négativement, c'est pourquoi on les appelle aussi plasma. Les particules chargées se déplacent de manière directionnelle dans le plasma sans consommer beaucoup d'énergie, c'est pourquoi elles peuvent transmettre des courants élevés dans des conditions de basse tension. Les principales particules chargées qui transmettent le courant sont les électrons, qui représentent environ 99,9 % du nombre total de particules chargées, le reste étant constitué d'ions positifs. En raison de la longueur extrêmement courte des régions cathodiques et anodiques, la longueur de la région de la colonne d’arc peut être considérée comme la longueur de l’arc. L'intensité du champ électrique dans la région de la colonne d'arc est relativement faible, généralement seulement 5 à 10 V/cm.

2. Zone cathodique

La cathode est considérée comme la source des électrons. Il fournit 99,9 % des particules chargées (électrons) à la colonne d'arc. La capacité de la cathode à émettre des électrons a un impact significatif sur la stabilité de l’arc. La longueur de la région cathodique est de 10-5-10-6 cm. Si la chute de tension cathodique est de 10 V, l’intensité du champ électrique de la région cathodique est de 106-107 V/cm.

3. Zone anodique

La région anodique est principalement responsable de l’acceptation des électrons, mais elle devrait également fournir 0,1 % de particules chargées (ions positifs) à la colonne d’arc. La longueur de la région anodique est généralement de 10-2-10-3 cm, de sorte que l'intensité du champ électrique de la région anodique est de 103-104 V/cm. En raison de l'impact significatif du matériau de l'anode et du courant de soudage sur la chute de tension dans la région anodique, celle-ci peut varier entre 0 et 10 V. Par exemple, lorsque la densité de courant et la température de l'anode sont élevées, provoquant l'évaporation du matériau de l'anode, la chute de tension de l'anode diminuera, même jusqu'à 0 V.

Caractéristiques des arcs électriques

1. La tension d'arc requise pour maintenir une combustion stable de l'arc est très faible et la tension d'une colonne d'arc CC de 1 cm dans l'atmosphère n'est que de 10 à 50 V.

2. Un courant important peut traverser l’arc, allant de quelques ampères à plusieurs milliers d’ampères.

3. L'arc a une température élevée et la température de la colonne d'arc est inégale. La température centrale est la plus élevée, atteignant 6 000 à 10 000 degrés, tandis que la température diminue en s'éloignant du centre.

4. Les arcs électriques peuvent émettre une lumière intense. La longueur d'onde du rayonnement lumineux de l'arc est de (1,7-50) × 10-7 m. Il comprend trois parties : l'infrarouge, la lumière visible et la lumière ultraviolette.

Classification des arcs électriques

1. Selon le type de courant, il peut être divisé en arc AC, arc DC et arc pulsé.

2. Selon l'état de l'arc, il peut être divisé en arc libre et arc comprimé (comme l'arc plasma).

3. Selon le matériau de l'électrode, il peut être divisé en : arc d'électrode fondant et arc d'électrode non fondant.

Les dangers des arcs électriques

1. La présence d'arcs prolonge le temps nécessaire à l'appareillage pour déconnecter les circuits défectueux et augmente la probabilité de courts-circuits dans le système électrique.

2. La température élevée générée par l'arc fait fondre et évapore la surface de contact, brûlant ainsi le matériau isolant. Les équipements électriques remplis d'huile peuvent également présenter des risques tels qu'un incendie et une explosion.

3. En raison du fait que les arcs électriques peuvent se déplacer sous l'action de forces électriques et thermiques. Il est facile de provoquer des courts-circuits et des blessures par arc électrique, conduisant à une escalade des accidents.

Le principe des six arcs d'extinction

1. Température de l'arc

L'arc est entretenu par ionisation thermique, et l'abaissement de la température de l'arc peut affaiblir l'ionisation thermique et réduire la génération de nouveaux ions chargés. Dans le même temps, cela réduit également la vitesse des particules chargées et améliore l’effet composite. En allongeant rapidement l'arc, en soufflant l'arc avec du gaz ou de l'huile, ou en mettant l'arc en contact avec la surface d'un milieu solide, la température de l'arc peut être réduite.

2. Caractéristiques du support

Les caractéristiques du milieu dans lequel l'arc brûle déterminent en grande partie la force de dissociation dans l'arc. Y compris la conductivité thermique, la capacité thermique, la température libre thermique, la rigidité diélectrique, etc.

3. Pression du milieu gazeux

La pression du milieu gazeux a un impact significatif sur la dissociation de l'arc. Car plus la pression du gaz est élevée, plus la concentration de particules dans l'arc est élevée, plus la distance entre les particules est petite, plus l'effet composite est fort et plus il est facile pour l'arc de s'éteindre. Dans un environnement de vide poussé, la probabilité de collision est réduite, ce qui supprime la dissociation par collision, tandis que l'effet de diffusion est fort.

4. Matériel de contact

Le matériau de contact affecte également le processus de détachement. Lorsque vous utilisez des métaux résistants aux températures élevées avec des points de fusion élevés, une bonne conductivité thermique et une grande capacité thermique comme contacts, cela réduit l'émission d'électrons chauds et de vapeur métallique dans l'arc, ce qui est bénéfique pour l'extinction de l'arc.

La méthode d'extinction de l'arc

1. Utiliser le médium pour éteindre l'arc

Le détachement de l'espace d'arc dépend en grande partie des caractéristiques du moyen d'extinction autour de l'arc. Le gaz hexafluorure de soufre est un excellent moyen d’extinction d’arc avec une forte électronégativité. Il peut rapidement adsorber les électrons et former des ions négatifs stables, ce qui favorise la recombinaison et l'ionisation. Sa capacité d’extinction d’arc est environ 100 fois supérieure à celle de l’air ; Le vide (pression inférieure à 0,013 Pa) est également un bon moyen d'extinction d'arc. En raison du petit nombre de particules neutres dans le vide, il n'est pas facile d'entrer en collision et de se dissocier, et le vide est propice à la diffusion et à la dissociation. Sa capacité d’extinction d’arc est environ 15 fois supérieure à celle de l’air.

2. Utilisez du gaz ou de l'huile pour souffler l'arc

Le soufflage d’un arc provoque la diffusion et la recombinaison par refroidissement des particules chargées dans l’espace de l’arc. Dans les disjoncteurs haute tension, diverses formes de structures de chambre d'extinction d'arc sont utilisées pour générer une énorme pression à partir du gaz ou du pétrole et la souffler avec force vers l'espacement de l'arc. Il existe deux manières principales de souffler un arc : le soufflage vertical et le soufflage horizontal. Le soufflage vertical est la direction de soufflage parallèle à l’arc, ce qui rend l’arc plus fin ; Le soufflage horizontal est la direction de soufflage perpendiculaire à l’arc, qui allonge et coupe l’arc.

3. Utilisez des matériaux métalliques spéciaux comme contacts d'extinction d'arc

L'utilisation de métaux résistants aux hautes températures avec des points de fusion élevés, une conductivité thermique et une grande capacité thermique comme matériaux de contact peut réduire l'émission d'électrons chauds et de vapeur métallique dans les arcs électriques, obtenant ainsi l'effet de suppression de l'ionisation ; Le matériau de contact utilisé simultanément nécessite également une haute résistance à l’arc et au soudage. Les matériaux de contact courants comprennent l'alliage de cuivre et de tungstène, l'alliage d'argent et de tungstène, etc.

4. Soufflage d'arc électromagnétique

Le phénomène d’arc électrique se déplaçant sous l’action d’une force électromagnétique est appelé arc de soufflage électromagnétique. En raison du mouvement de l'arc dans le milieu environnant, il a le même effet que le soufflage d'air, atteignant ainsi l'objectif d'éteindre l'arc. Cette méthode d’extinction d’arc est plus largement utilisée dans les appareillages basse tension.

5. Faire bouger l'arc dans la fente étroite du milieu solide

Ce type de méthode d’extinction d’arc est également connu sous le nom d’extinction d’arc fendu. En raison du mouvement de l'arc dans la fente étroite du milieu, d'une part, il est refroidi, ce qui renforce l'effet d'ionisation ; D'autre part, l'arc s'allonge, le diamètre de l'arc diminue, la résistance de l'arc augmente et l'arc s'éteint.

6. Séparez l'arc long en arcs courts

Lorsque l'arc traverse une rangée de grilles métalliques qui lui sont perpendiculaires, l'arc long se divise en plusieurs arcs courts ; La chute de tension des arcs courts tombe principalement dans les régions anodiques et cathodiques. Si le nombre de grilles est suffisant pour garantir que la somme des chutes de tension minimales nécessaires au maintien de la combustion de l'arc dans chaque segment est supérieure à la tension appliquée, l'arc s'éteindra tout seul. De plus, une fois que le courant alternatif dépasse zéro, en raison de l'effet proche de la cathode, la rigidité diélectrique de chaque espace d'arc augmente soudainement jusqu'à 150-250 V. En utilisant plusieurs espaces d'arc en série, une rigidité diélectrique plus élevée peut être obtenue, de sorte que l'arc ne se rallumera pas après avoir été éteint au passage à zéro.

7. Adopter l'extinction d'arc à fractures multiples

Chaque phase d'un disjoncteur haute tension est connectée en série avec deux ou plusieurs coupures, ce qui réduit la tension supportée par chaque coupure et double la vitesse de rupture des contacts, provoquant un allongement rapide de l'arc et favorisant l'extinction de l'arc.

8. Améliorer la vitesse de séparation des contacts du disjoncteur

Amélioration de la vitesse d’allongement de l’arc, ce qui est bénéfique pour le refroidissement, la recombinaison et la diffusion de l’arc.