Estinzione dell'arco negli interruttori automatici: come la progettazione dello scivolo dell'arco controlla ed elimina gli archi

Introduzione

L'estinzione dell'arco negli interruttori automatici è un processo critico per garantire la sicurezza elettrica e l'affidabilità del sistema , soprattutto negli interruttori automatici miniaturizzati (MCB ) utilizzati in applicazioni a bassa tensione.

Durante un'interruzione per cortocircuito , la separazione dei contatti genera un arco elettrico. Questo arco è altamente dinamico e influenzato dalle forze elettromagnetiche, dalla geometria dello scivolo dell'arco e dalla progettazione del materiale.

Comprendere come gli scivoli d'arco estinguono gli archi è essenziale per migliorare le prestazioni, la durata e la capacità di protezione dell'interruttore.

La fisica del movimento dell'arco negli interruttori automatici

Una volta formato un arco, la corrente che lo attraversa genera un campo magnetico. L'arco si comporta come un conduttore percorso da corrente ed è mosso dalla forza di Lorentz :

F = I × B

Questa forza fa sì che l'arco si muova, tipicamente verso lo scivolo dell'arco , dove può essere allungato, raffreddato ed estinto.

A causa della distribuzione non uniforme del campo magnetico , l'arco subisce una forza direzionale che lo guida nella struttura dello scivolo dell'arco.

Progettazione dello scivolo d'arco negli MCB

Il design dello scivolo dell'arco è uno dei fattori più importanti nell'estinzione dell'arco. Determina il modo in cui l'arco viene catturato, guidato, allungato e segmentato.

Intaglio a U e a V (interruttori automatici CA)

Negli interruttori automatici CA, vengono comunemente utilizzate tacche a forma di U o a V all'ingresso dello scivolo dell'arco.

• Migliora la cattura dell'arco all'ingresso

• Promuovere l'allungamento dell'arco

• Abilita la suddivisione dell'arco tra le piastre divisorie

Design con fessura centrale

L'aggiunta di una fessura centrale migliora il controllo dell'arco:

• Migliora la stabilità della guida dell'arco

• Garantisce un allungamento controllato dell'arco prima della scissione

• Fornisce prestazioni costanti in diverse condizioni attuali

Design con slot sfalsati (interruttori automatici CC)

L’estinzione dell’arco CC è più impegnativa a causa dell’assenza del passaggio per lo zero della corrente.

• Forza un percorso ad arco a zig-zag

• Aumenta la lunghezza dell'arco e la tensione dell'arco

• Promuove la segmentazione precoce dell'arco

• Riduce la stabilità dell'arco per un'estinzione più rapida

Forze elettromagnetiche e movimento dell'arco (analisi di simulazione)

Strumenti di simulazione come ANSYS mostrano come le forze elettromagnetiche influenzano il comportamento dell'arco durante l'interruzione.

Nel momento in cui i contatti si separano, l'arco subisce una forza netta verso l'alto verso l'ingresso dello scivolo dell'arco.

• I campi magnetici non sono uniformi a causa della geometria del conduttore e dei materiali ferromagnetici

• Una maggiore densità del flusso magnetico appare in prossimità delle curve e dell'ingresso dello scivolo dell'arco

• La forza di Lorentz risultante spinge l'arco nello scivolo dell'arco

Quando la posizione dell'arco cambia:

• La distribuzione del flusso magnetico varia

• Il vettore forza che agisce sull'arco cambia

Tuttavia, l’effetto complessivo rimane coerente:

L'arco viene continuamente spinto nello scivolo dell'arco, dove viene allungato e segmentato fino all'estinzione

Validazione sperimentale: test di cortocircuito degli interruttori automatici

I test di cortocircuito forniscono la convalida delle prestazioni di estinzione dell'arco negli interruttori automatici.

Le misurazioni tipiche includono:

• Corrente di cortocircuito

• Tensione di recupero transitorio (TRV)

• Modelli di erosione dello scivolo d'arco

Risultati chiave dei test

• Tempo di interruzione: 3,0 ms, corrente: 3670 A
  → Elevata energia dell'arco, forti oscillazioni, grave erosione

• Tempo di interruzione: 3,0 ms, corrente: 2790 A
  → Frequenti trasferimenti e segmentazioni dell'arco, erosione localizzata

• Tempo di interruzione: 2,8 ms, corrente: ~2790 A
  → Comportamento dell'arco più fluido, erosione più uniforme

• Tempo di interruzione: 3,0 ms, corrente: 2810 A
  → Attacco arco stabile, TRV minimo, erosione controllata

Punti chiave sull'estinzione dell'arco negli interruttori automatici

• Il design dello scivolo dell'arco influisce direttamente sulle prestazioni di estinzione dell'arco

• Il comportamento dell'arco è controllato sia dalla geometria che dalle forze elettromagnetiche

• Gli intagli U/V, le fessure centrali e le fessure sfalsate svolgono ruoli diversi

• Simulazione e test insieme migliorano l'efficienza e l'affidabilità della progettazione degli interruttori