फ़्यूज़ जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में आर्क उत्पन्न करने का सिद्धांत और बुझाने की विधि

विद्युत चाप क्या है?

जब सर्किट में फ़्यूज़ उड़ जाता है, जब वोल्टेज और करंट एक निश्चित मान तक पहुँच जाते हैं, तो फ़्यूज़ लिंक पिघल गया है और डिस्कनेक्ट हो गया है, और अभी-अभी अलग हुए फ़्यूज़ लिंक के बीच एक चाप उत्पन्न होगा, जिसे आर्क कहा जाता है। यह मजबूत विद्युत क्षेत्र के कारण होता है, जो गैस को आयनित करता है और सामान्य रूप से इन्सुलेट माध्यम से करंट प्रवाहित करता है। इलेक्ट्रिक आर्क के उपयोग के कई अनुप्रयोग हो सकते हैं, जैसे वेल्डिंग, स्टील संयंत्रों में इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेस आदि। लेकिन अगर आर्क अनियंत्रित अवस्था में उत्पन्न होता है, तो यह बिजली ट्रांसमिशन, वितरण और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को नुकसान पहुंचाएगा। इसलिए हमें आर्क को समझना और नियंत्रित करना चाहिए।

विद्युत चाप की संरचना

1. आर्क कॉलम ज़ोन

चाप स्तंभ क्षेत्र विद्युत रूप से तटस्थ है और अणुओं, परमाणुओं, उत्तेजित परमाणुओं, सकारात्मक आयनों, नकारात्मक आयनों और इलेक्ट्रॉनों से बना है। इनमें धनावेशित आयन ऋणावेशित आयनों के लगभग बराबर होते हैं, इसलिए इसे प्लाज्मा भी कहा जाता है। आवेशित कण अधिक ऊर्जा की खपत किए बिना प्लाज्मा में दिशात्मक रूप से चलते हैं, यही कारण है कि वे कम वोल्टेज की स्थिति में उच्च धाराओं को संचारित कर सकते हैं। मुख्य आवेशित कण जो धारा संचारित करते हैं, वे इलेक्ट्रॉन हैं, जो आवेशित कणों की कुल संख्या का लगभग 99.9% हैं, शेष धनात्मक आयन हैं। कैथोड और एनोड क्षेत्रों की बेहद कम लंबाई के कारण, चाप स्तंभ क्षेत्र की लंबाई को चाप की लंबाई के रूप में माना जा सकता है। चाप स्तंभ क्षेत्र में विद्युत क्षेत्र की ताकत अपेक्षाकृत कम है, आमतौर पर केवल 5-10V/सेमी।

2. कैथोड क्षेत्र

कैथोड को इलेक्ट्रॉनों का स्रोत माना जाता है। यह चाप स्तंभ को 99.9% आवेशित कण (इलेक्ट्रॉन) प्रदान करता है। कैथोड की इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करने की क्षमता चाप की स्थिरता पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालती है। कैथोड क्षेत्र की लंबाई 10-5-10-6 सेमी है। यदि कैथोड वोल्टेज ड्रॉप 10V है, तो कैथोड क्षेत्र की विद्युत क्षेत्र की ताकत 106-107V/सेमी है।

3. एनोड क्षेत्र

एनोड क्षेत्र मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करने के लिए जिम्मेदार है, लेकिन इसे चाप स्तंभ को 0.1% आवेशित कण (सकारात्मक आयन) भी प्रदान करना चाहिए। एनोड क्षेत्र की लंबाई आमतौर पर 10-2-10-3 सेमी है, इसलिए एनोड क्षेत्र की विद्युत क्षेत्र की ताकत 103-104V/सेमी है। एनोड क्षेत्र में वोल्टेज ड्रॉप पर एनोड सामग्री और वेल्डिंग करंट के महत्वपूर्ण प्रभाव के कारण, यह 0 और 10V के बीच भिन्न हो सकता है। उदाहरण के लिए, जब वर्तमान घनत्व अधिक होता है और एनोड तापमान अधिक होता है, जिससे एनोड सामग्री वाष्पित हो जाती है, तो एनोड वोल्टेज ड्रॉप कम हो जाएगा, यहां तक ​​कि 0V तक भी।

इलेक्ट्रिक आर्क के लक्षण

1. चाप के स्थिर दहन को बनाए रखने के लिए आवश्यक चाप वोल्टेज बहुत कम है, और वायुमंडल में 1 सेमी डीसी चाप स्तंभ का वोल्टेज केवल 10-50V है।

2. एक बड़ी धारा चाप से गुजर सकती है, जो कुछ एम्पीयर से लेकर कई हजार एम्पीयर तक हो सकती है।

3. चाप में उच्च तापमान होता है, और चाप स्तंभ का तापमान असमान होता है। केंद्र का तापमान सबसे अधिक होता है, जो 6000-10000 डिग्री तक पहुँच जाता है, जबकि केंद्र से दूर तापमान कम हो जाता है।

4. इलेक्ट्रिक आर्क तेज़ रोशनी उत्सर्जित कर सकते हैं। चाप से प्रकाश विकिरण की तरंग दैर्ध्य (1.7-50) × 10-7m है। इसमें तीन भाग शामिल हैं: अवरक्त, दृश्य प्रकाश और पराबैंगनी प्रकाश

विद्युत चापों का वर्गीकरण

1. करंट के प्रकार के अनुसार इसे AC आर्क, DC आर्क और पल्स आर्क में विभाजित किया जा सकता है।

2. चाप की स्थिति के अनुसार, इसे मुक्त चाप और संपीड़ित चाप (जैसे प्लाज्मा चाप) में विभाजित किया जा सकता है।

3. इलेक्ट्रोड सामग्री के अनुसार, इसे विभाजित किया जा सकता है: पिघलने वाले इलेक्ट्रोड चाप और गैर पिघलने वाले इलेक्ट्रोड चाप।

इलेक्ट्रिक आर्क के खतरे

1. आर्क की उपस्थिति से स्विचगियर के लिए दोषपूर्ण सर्किट को डिस्कनेक्ट करने का समय बढ़ जाता है और बिजली प्रणाली में शॉर्ट सर्किट की संभावना बढ़ जाती है।

2. चाप द्वारा उत्पन्न उच्च तापमान संपर्क सतह को पिघला देता है और वाष्पित कर देता है, जिससे इन्सुलेशन सामग्री जल जाती है। तेल से भरे विद्युत उपकरण भी आग और विस्फोट जैसे जोखिम पैदा कर सकते हैं।

3. इस तथ्य के कारण कि विद्युत चाप विद्युत और तापीय बलों की क्रिया के तहत गति कर सकते हैं। शॉर्ट सर्किट और चोटों का कारण बनना आसान है, जिससे दुर्घटनाओं में वृद्धि होती है।

छह बुझाने वाले चापों का सिद्धांत

1. चाप तापमान

चाप को थर्मल आयनीकरण द्वारा बनाए रखा जाता है, और चाप का तापमान कम करने से थर्मल आयनीकरण कमजोर हो सकता है और नए आवेशित आयनों की उत्पत्ति कम हो सकती है। साथ ही, यह आवेशित कणों के वेग को भी कम करता है और समग्र प्रभाव को बढ़ाता है। चाप को तेज़ी से लंबा करके, चाप को गैस या तेल से उड़ाकर, या चाप को किसी ठोस माध्यम की सतह के संपर्क में लाकर, चाप का तापमान कम किया जा सकता है।

2. माध्यम की विशेषताएँ

जिस माध्यम में चाप जलता है उसकी विशेषताएं काफी हद तक चाप में पृथक्करण की ताकत को निर्धारित करती हैं। जिसमें तापीय चालकता, ताप क्षमता, तापीय मुक्त तापमान, ढांकता हुआ ताकत आदि शामिल हैं।

3. गैस माध्यम का दबाव

गैस माध्यम के दबाव का चाप के पृथक्करण पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है। क्योंकि गैस का दबाव जितना अधिक होगा, चाप में कणों की सांद्रता उतनी ही अधिक होगी, कणों के बीच की दूरी उतनी ही कम होगी, समग्र प्रभाव उतना ही मजबूत होगा, और चाप को बुझाना उतना ही आसान होगा। उच्च निर्वात वातावरण में, टकराव की संभावना कम हो जाती है, जो टकराव पृथक्करण को दबा देती है, जबकि प्रसार प्रभाव मजबूत होता है।

4. संपर्क सामग्री

संपर्क सामग्री पृथक्करण की प्रक्रिया को भी प्रभावित करती है। संपर्क के रूप में उच्च पिघलने बिंदु, अच्छी तापीय चालकता और बड़ी ताप क्षमता वाली उच्च तापमान प्रतिरोधी धातुओं का उपयोग करते समय, यह चाप में गर्म इलेक्ट्रॉनों और धातु वाष्प के उत्सर्जन को कम करता है, जो चाप बुझाने के लिए फायदेमंद है।

चाप बुझाने की विधि

1. चाप को बुझाने के लिए माध्यम का प्रयोग करें

चाप अंतराल का पृथक्करण काफी हद तक चाप के चारों ओर बुझाने वाले माध्यम की विशेषताओं पर निर्भर करता है। सल्फर हेक्साफ्लोराइड गैस मजबूत इलेक्ट्रोनगेटिविटी वाला एक उत्कृष्ट चाप बुझाने वाला माध्यम है। यह तेजी से इलेक्ट्रॉनों को सोख सकता है और स्थिर नकारात्मक आयन बना सकता है, जो पुनर्संयोजन और आयनीकरण के लिए अनुकूल है। इसकी चाप बुझाने की क्षमता हवा से लगभग 100 गुना अधिक मजबूत है; वैक्यूम (0.013Pa से कम दबाव) भी चाप बुझाने के लिए एक अच्छा माध्यम है। निर्वात में तटस्थ कणों की कम संख्या के कारण, टकराना और अलग होना आसान नहीं है, और निर्वात प्रसार और पृथक्करण के लिए अनुकूल है। इसकी चाप बुझाने की क्षमता हवा से लगभग 15 गुना अधिक मजबूत है।

2. चाप को उड़ाने के लिए गैस या तेल का प्रयोग करें

चाप उड़ाने से चाप अंतराल में आवेशित कणों का प्रसार और शीतलन पुनर्संयोजन होता है। हाई-वोल्टेज सर्किट ब्रेकरों में, गैस या तेल से भारी दबाव उत्पन्न करने और इसे आर्क गैप की ओर बलपूर्वक उड़ाने के लिए विभिन्न प्रकार के आर्क बुझाने वाले कक्ष संरचनाओं का उपयोग किया जाता है। चाप उड़ाने के दो मुख्य तरीके हैं: ऊर्ध्वाधर उड़ाना और क्षैतिज उड़ाना। वर्टिकल ब्लोइंग चाप के समानांतर बहने वाली दिशा है, जिसके कारण चाप पतला हो जाता है; क्षैतिज उड़ाना चाप के लंबवत बहने की दिशा है, जो चाप को बढ़ाती है और काट देती है।

3. चाप बुझाने वाले संपर्कों के रूप में विशेष धातु सामग्री का उपयोग करें

संपर्क सामग्री के रूप में उच्च पिघलने बिंदु, थर्मल चालकता और बड़ी गर्मी क्षमता के साथ उच्च तापमान प्रतिरोधी धातुओं का उपयोग विद्युत चाप में गर्म इलेक्ट्रॉनों और धातु वाष्प के उत्सर्जन को कम कर सकता है, इस प्रकार आयनीकरण को दबाने के प्रभाव को प्राप्त कर सकता है; एक साथ उपयोग की जाने वाली संपर्क सामग्री को आर्क और वेल्डिंग के लिए उच्च प्रतिरोध की भी आवश्यकता होती है। सामान्य संपर्क सामग्रियों में तांबा टंगस्टन मिश्र धातु, चांदी टंगस्टन मिश्र धातु आदि शामिल हैं।

4. विद्युत चुम्बकीय चाप उड़ाना

विद्युत चुम्बकीय बल की क्रिया के तहत विद्युत चाप के घूमने की घटना को विद्युत चुम्बकीय प्रवाह चाप कहा जाता है। आसपास के माध्यम में चाप की गति के कारण, इसका प्रभाव हवा के झोंके के समान ही होता है, जिससे चाप को बुझाने का उद्देश्य प्राप्त होता है। यह चाप बुझाने की विधि लो-वोल्टेज स्विचगियर में अधिक व्यापक रूप से उपयोग की जाती है।

5. चाप को ठोस माध्यम के संकीर्ण झिरी में घुमाएँ

इस प्रकार की चाप बुझाने की विधि को स्लिट आर्क बुझाने के रूप में भी जाना जाता है। माध्यम की संकीर्ण भट्ठा में चाप की गति के कारण, एक ओर, यह ठंडा हो जाता है, जो आयनीकरण प्रभाव को बढ़ाता है; दूसरी ओर, चाप लम्बा हो जाता है, चाप का व्यास कम हो जाता है, चाप का प्रतिरोध बढ़ जाता है और चाप बुझ जाता है।

6. लंबे चाप को छोटे चाप में अलग करें

जब चाप लंबवत धातु ग्रिड की एक पंक्ति से होकर गुजरता है, तो लंबा चाप कई छोटे चापों में विभाजित हो जाता है; शॉर्ट आर्क का वोल्टेज ड्रॉप मुख्य रूप से एनोड और कैथोड क्षेत्रों में पड़ता है। यदि ग्रिड की संख्या यह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त है कि प्रत्येक खंड में चाप दहन को बनाए रखने के लिए आवश्यक न्यूनतम वोल्टेज बूंदों का योग लागू वोल्टेज से अधिक है, तो चाप अपने आप बुझ जाएगा। इसके अलावा, एसी करंट शून्य को पार करने के बाद, निकट कैथोड प्रभाव के कारण, प्रत्येक आर्क गैप की ढांकता हुआ ताकत अचानक 150-250V तक बढ़ जाती है। श्रृंखला में कई चाप अंतरालों का उपयोग करके, एक उच्च ढांकता हुआ ताकत प्राप्त की जा सकती है, ताकि चाप शून्य क्रॉसिंग पर बुझने के बाद फिर से प्रज्वलित न हो।

7. मल्टी फ्रैक्चर आर्क बुझाने को अपनाएं

हाई-वोल्टेज सर्किट ब्रेकर का प्रत्येक चरण दो या दो से अधिक ब्रेक के साथ श्रृंखला में जुड़ा होता है, जो प्रत्येक ब्रेक से उत्पन्न वोल्टेज को कम करता है और संपर्क तोड़ने की गति को दोगुना कर देता है, जिससे आर्क जल्दी से लंबा हो जाता है और आर्क बुझाने में लाभ होता है।

8. सर्किट ब्रेकर संपर्कों की पृथक्करण गति में सुधार करें

चाप को लंबा करने की गति में सुधार हुआ, जो चाप को ठंडा करने, पुनर्संयोजन और प्रसार के लिए फायदेमंद है।