نظرية مقاطعة القوس الكهربائي

نظرة عامة عن النظرية:

يجب أن تؤدي المادة العازلة (قد تكون مادة سائلة أو هواء)، والمستخدمة في قاطع الدائرة وظيفتين مهمتين وهما:

• يجب أن يوفر عزلًا كافياً بين جهات الاتصال عند فتح قاطع الدائرة.
  
• يجب أن يطفئ القوس الكهربائي الذي يحدث بين جهات الاتصال عند فتح قاطع الدائرة.
  

النقطة الثانية تحتاج إلى مزيد من التوضيح، ولفهم هذه النقطة يجب أن نفكر في حالة ما إذا كان هناك بعض الأعطال أو الماس الكهربائي في النظام، يوفر المرحل الإشارات المطلوبة لقاطع الدائرة؛ وذلك لمنع النظام من الخطأ المستمر، الآن عندما يفتح قاطع الدائرة جهات الاتصال الخاصة به، يتم رسم قوس، بسبب هذا يتم مقاطعة القوس بواسطة عازل وتقنية مناسبة.

طرق مقاطعة القوس الكهربائي:

هناك طريقتان يتم من خلالهما المقاطعة وهما:

• طريقة المقاومة العالية.
  
• طريقة المقاومة المنخفضة أو طريقة الانقطاع الصفري الحالية.
  

في طريقة الانقطاع العالي، يمكننا زيادة المقاومة الكهربائية عدة مرات إلى هذه القيمة العالية، والتي تجبر التيار على الوصول إلى الصفر، وبالتالي تقييد إمكانية إعادة القوس، كما ويجب اتخاذ الخطوات المناسبة للتأكد من أن المعدل الذي تزداد فيه المقاومة أو ينقص ليس غير طبيعي؛ لأنه قد يؤدي إلى توليد الفولتية المستحثة الضارة في النظام، ويمكن زيادة مقاومة القوس بطرق مختلفة مثل إطالة أو تبريد القوس وما إلى ذلك.

حدود طريقة المقاومة العالية:

تفريغ القوس له طبيعة مقاومة؛ نظراً لأن معظم الطاقة يستقبلها قاطع الدائرة نفسه، ومن ثم يجب توخي الحذر المناسب أثناء تصنيع قاطع الدائرة مثل القوة الميكانيكية وما إلى ذلك، لذلك يتم تطبيق هذه الطريقة في قاطع الدائرة الكهربائية المنخفض والمتوسط قاطع دارة التيار المتردد.

طريقة المقاومة المنخفضة قابلة للتطبيق فقط لدائرة التيار المتردد، وهي ممكنة بسبب وجود الصفر الطبيعي للتيار، يتم إخماد القوس عند الصفر الطبيعي لموجة التيار المتناوب ويتم منعه من التقييد مرة أخرى من خلال البناء السريع لقوة العزل الكهربائي لمساحة التلامس.

هناك نوعان من النظريات التي تفسر ظاهرة مقاطعة القوس الكهربائي:

• نظرية توازن الطاقة.
  
• نظرية سباق الجهد.
  لكن وقبل الدخول في التفاصيل حول هذه النظريات، يجب أن نعرف المصطلحات التالية:
  

إعادة ضبط الجهد:

يمكن تعريفه على أنه الفولتية التي تظهر عبر جهة الاتصال المنقطعة في لحظة اخماد القوس الكهربائي.

جهد الاسترداد:

يمكن تعريفه على أنه الجهد الذي يظهر عبر ملامسة القاطع بعد الإزالة الكاملة للتذبذبات العابرة والاخماد النهائي للقوس، والذي أدى إلى ظهور جميع الأقطاب.

جهد الاسترداد النشط:

يمكن تعريفه على أنه جهد الاسترداد الفوري في لحظة اخماد القوس.

قوس الجهد:

يمكن تعريفه على أنه الفولتية التي تظهر عبر جهة الاتصال خلال فترة الانحناء، عندما يتم الحفاظ على التدفق الحالي في شكل قوس، يفترض قيمة منخفضة باستثناء النقطة التي يرتفع فيها الجهد بسرعة إلى قيمة الذروة ويصل التيار إلى الصفر.

نظرية توازن الطاقة:

عندما يكون ملامس قاطع الدائرة على وشك الفتح، يكون الجهد الكهربائي صفرياً، ومن ثم تكون الحرارة المتولدة صفراً، وعندما تكون جهات الاتصال مفتوحة بالكامل، توجد مقاومة لا نهائية، مما يؤدي مرة أخرى إلى عدم إنتاج الحرارة.
يمكننا أن نستنتج من هذا أن الحد الأقصى للحرارة المتولدة يقع بين هاتين الحالتين ويمكن تقريبه، والآن تعتمد هذه النظرية على حقيقة أن معدل توليد الحرارة بين جهات اتصال قاطع الدائرة أقل من المعدل الذي يتم عنده تبدد الحرارة بين الاتصال، وبالتالي، إذا كان من الممكن إزالة الحرارة المتولدة عن طريق تبريد وإطالة وتقسيم القوس بمعدل مرتفع، فيمكن حينها إطفاء القوس.

نظرية سباق الجهد:

يرجع القوس إلى تأين الفجوة بين ملامسة قاطع الدائرة، وبالتالي فإن المقاومة في المرحلة الأولية صغيرة جداً، أي عندما يتم إغلاق جهة الاتصال وعندما تفصل جهة الاتصال، تبدأ المقاومة في الزيادة، إذا أزلنا الأيونات في المرحلة الأولية إما عن طريق إعادة تجميعها في جزيئات محايدة أو إدخال العزل بمعدل أسرع من معدل التأين، يمكن أن ينقطع القوس، كما يعتمد التأين عند صفر تيار على الفولتية المعروفة باسم الجهد المضاد.

يتم تحديد تعبيراً لضبط الجهد وللحصول على نظام مثالي أو أقل خسارة عن طريق العلاقة الرياضية التالية:

حيث: (v) = إعادة ضبط الجهد، (V) = قيمة الجهد في لحظة الانقطاع، (L و C) عبارة عن مغو متسلسل وتحويل السعة حتى نقطة الخطأ.

وبالتالي من المعادلة أعلاه يمكننا أن نرى أنه عند انخفاض قيمة منتج (L و C)، فإن قيمة إعادة ضبط الجهد أعلى.

منحنى العلاقة بين الجهد (فولت)، والوقت (ثانية).

الآن عند أخذ العملية في نظام عملي، أو نفترض أن هناك خسارة محدودة في النظام، وكما هو مبين أدناه في هذه الحالة يتم تثبيط جهد إعادة التشغيل؛ بسبب وجود بعض المقاومة المحدودة، وهنا يُفترض أن التيار يتأخر عن الجهد بزاوية (مقاسة بالدرجات) مقدارها 90 درجة، ولكن في الوضع العملي قد تختلف الزاوية حسب الوقت في الدورة التي حدث فيها الخطأ.

وهنا في حالة تأثير جهد القوس، إذا تم تضمين جهد القوس في النظام، فهناك زيادة في جهد إعادة القياس ومع ذلك، يتم تعويض هذا من خلال تأثير آخر لجهد القوس الذي يعاكس تدفق التيار ويحدث تغييراً في طور التيار، مما يجعله أكثر في الطور مع الفولتية المطبقة، ومن ثم فإن التيار ليس في ذروة قيمته عندما يمر الجهد من خلال القيمة الصفرية.

معدل ارتفاع إعادة الجهد (RRRV):

يتم تعريفه على أنه نسبة قيمة الذروة لجهد ما، كما أن إعادة ضبط الجهد إلى الوقت المستغرق للوصول إلى قيمة الذروة، إنها واحدة من أهم العلامات كما لو أن المعدل الذي تطورت به قوة العزل الكهربائي بين جهات الاتصال أكبر من (RRRV)، ومن ثم ينطفئ القوس الكهربائي بالكامل.