(a) (b) (c)
Typische Öffnungsformen am Einlass von Entionisierungsgittern in Lichtbogenkammern von Niederspannungs-Leistungsschaltern steuern den Weg des Lichtbogeneintritts, der Verlängerung und der Aufteilung durch geometrische Gestaltung. Die drei Diagramme entsprechen gängigen AC- bzw. DC-Konfigurationen:
(a) Standard-U-förmige oder V-förmige Kerbe (üblicherweise für Wechselstrom verwendet)
Der Gittereinlass ist mit einer U-förmigen oder V-förmigen Aussparung versehen und dient folgenden Zwecken:
● Lichtbogenerfassung: Erleichtert die Befestigung des Lichtbogens am Rand des Gittereinlasses und bildet stabile Befestigungspunkte.
● Anfängliche Lichtbogenverlängerung: Wenn der Lichtbogen durch magnetisches oder pneumatisches Anblasen aus dem Kontaktbereich gedrückt wird, dehnt er sich entlang der Kerbenkante aus und vergrößert so seine Länge.
● Aufteilung zwischen Gittern: Wenn der Bogen tiefer vordringt, teilt er sich in mehrere Segmente zwischen benachbarten Gittern auf.
(b) Zentrale Nut
Auf der Grundlage von (a) wird in der Einlassmitte eine zentrale Längsnut hinzugefügt. Zu den wichtigsten Effekten gehören:
● Lichtbogenführung: Der Lichtbogen neigt dazu, Kathoden- und Anodenflecken entlang der Rillenkanten zu bilden.
● Dehnung vor der Spaltung: Der Bogen wird gezwungen, sich zuerst entlang der zentralen Rille nach oben zu erstrecken, bevor er zwischen den Gittern geteilt wird.
● Verbesserte Eingangskonsistenz: Verbessert die „Erfassungsrobustheit“ für Bögen mit unterschiedlichen Stromamplituden und -positionen.
(c) Versetzte Rillen (üblicherweise für Gleichstrom verwendet)
Der Einlass verfügt über zwei versetzte (versetzte) diagonale oder gegabelte Rillen. Hierbei handelt es sich um eine typische Gleichstrom-Lichtbogenlöschkonstruktion: Da Gleichstrom keinen Nulldurchgangspunkt hat, muss der Lichtbogen schnell verlängert, segmentiert und seine Spannung erhöht werden, um die Systemspannung zum Löschen zu überschreiten. Haupteffekte:
● Erzwungener Z-förmiger Pfad: Der Bogen wird gezwungen, die Befestigungspunkte und die Richtung am Einlass zu ändern, was einer mehrmaligen Faltung vor dem Eintritt entspricht, wodurch seine Länge deutlich erhöht wird.
● Förderung der frühen Teilung: Versetzte Rillen ermöglichen es dem Lichtbogen, leichter zwischen benachbarten Gittern zu springen, wodurch mehrere Serienbögen früher gebildet werden.
● Unterdrückter Lichtbogenrückfluss: Gleichstromlichtbögen weisen eine hohe Stabilität auf; Die gestaffelte Struktur erhöht die Komplexität des Pfads und verringert die Wahrscheinlichkeit einer anhaltenden Lichtbogenbildung entlang eines geraden Pfads.
Wenn sich die Kontakte gerade trennen und der Lichtbogenfuß entsteht, wirkt auf den Lichtbogen eine deutliche resultierende Kraft F, die nach oben zum Gittereintritt gerichtet ist.
● Blaue spulenartige Kurven: Magnetfeldlinien um den Lichtbogenstrom, was darauf hinweist, dass das Magnetfeld um den Lichtbogen ungleichmäßig verteilt, aber durch die Leitergeometrie und ferromagnetische Komponenten voreingenommen ist.
● Farbabstufung: Stellt die magnetische Flussdichte dar – höher an Leiterbiegungen, in der Nähe von Spulen und Gittereinlässen.
● Rote Pfeile: Richtung der resultierenden Kraft auf dem Bogen, berechnet von ANSYS.
Die Kraftrichtung ergibt sich aus F = I × B (Lorentz-Kraftgesetz). Die Richtung des Lichtbogenstroms folgt dem Lichtbogenkanal, und magnetische Feldlinien bilden im Lichtbogenbereich asymmetrische geschlossene Schleifen mit einer klaren lokalen B-Richtung und einem klaren Gradienten. Somit drückt der I×B-Effekt den Lichtbogen in Richtung des Gittereinlasses, der im Diagramm durch das rote F gekennzeichnet ist.
Variationen an verschiedenen Positionen
Wenn sich der äquivalente Lichtbogenstromkanal an verschiedenen Positionen am Gittereinlass befindet, ändert sich die magnetische Flussdichteverteilung an den ferromagnetischen Gittern und der V-förmigen Öffnung, wodurch sich der Lichtbogenantriebskraftvektor ändert. Der allgemeine Trend geht jedoch dahin, dass der Lichtbogen tiefer in die V-förmige Kerbe gedrückt wird und sich zwischen den Gittern weiter aufspaltet.
● Bogen außerhalb des Einlasses
An Miniatur-Leistungsschalter-Prototypen wurden Kurzschluss-Unterbrechungstests durchgeführt, um die Wellenformen des Kurzschlussstroms und der Wiederherstellungsspannung aufzuzeichnen, die mit den Ablationsspuren der Lichtbogenkammer nach der Demontage korreliert wurden.
● Blau (CH2): Wellenform des Kurzschlussstroms
● Orange (CH1): Wiederherstellungsspannung/TRV-Wellenform
(a) Ausschaltzeit: 3,0 ms, Ausschaltstrom: 3670 A (Maximum)
Die Wellenform ist intensiver und weist nach der Kürzung ein deutliches Klingeln auf. Die Lichtbogenkammer weist eine starke Schwärzung und eine Ansammlung von geschmolzener Flüssigkeit auf.
(b) Ausschaltzeit: 3,0 ms, Ausschaltstrom: 2790 A
Scharfe Spitzen und deutliches Klingeln in der Nähe des Abbruchpunkts zeugen von häufigen Aufspaltungen und Umschaltungen. Fotos zeigen einen konzentrierten Abtrag im oberen Bereich.
(c) Ausschaltzeit: 2,8 ms, Ausschaltstrom: 2820 A
Die Stromunterdrückung und -kürzung erfolgt bei kontinuierlicher Aufteilung sanfter. Die Ablation erfolgt gleichmäßig und eine übermäßige Einzelpunktknötchenbildung wird vermieden.
(d) Ausschaltzeit: 3,0 ms, Ausschaltstrom: 2810 A
Typischer Prozess des Eintritts in die Spaltungszone und der Vervollständigung der Kürzung nahezu ohne TRV. Der Lichtbogen haftet stabil im oberen Bereich, was zu einer deutlichen Knötchenbildung im oberen Teil führt, jedoch zu keiner übermäßigen Gesamtablation.
Die geometrische Form des Lichtbogenkammereinlasses bestimmt den anfänglichen Weg des Lichtbogens nach Eintritt in die Lichtbogenkammer:
● U-förmige/V-förmige Kerben: Zur Erfassung und Führung des Lichtbogens.
● Mittlere Rille: Verbessert die Konsistenz der Führung.
● Versetzte Rillen: Für frühe Dehnung und Aufteilung in mehrere Segmente unter Gleichstrombedingungen.
ANSYS-Simulationsergebnisse werden gegenseitig mit tatsächlichen Testdaten verifiziert, wodurch der Aufwand und die Zeit, die für die Entwicklung erforderlich sind, bis zu einem gewissen Grad reduziert werden.
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