(a) (b) (c)
Las formas de apertura típicas en la entrada de las rejillas de desionización en los conductos de arco de los interruptores automáticos de bajo voltaje controlan la ruta de entrada, el alargamiento y la división del arco mediante un diseño geométrico. Los tres diagramas corresponden a configuraciones comunes de CA y CC respectivamente:
(a) Muesca estándar en forma de U o V (comúnmente utilizada para aire acondicionado)
La entrada de la rejilla está diseñada con una muesca en forma de U o V, que sirve para los siguientes propósitos:
● Captura de arco: facilita la unión del arco al borde de la entrada de la rejilla, formando puntos de unión estables.
● Alargamiento inicial del arco: cuando el arco es empujado desde el área de contacto mediante soplado magnético o neumático, se extiende a lo largo del borde de la muesca, aumentando su longitud.
● División entre cuadrículas: a medida que el arco avanza más profundamente, se divide en múltiples segmentos entre cuadrículas adyacentes.
(b) Surco central
Sobre la base de (a), se agrega una ranura central longitudinal en el centro de entrada. Los efectos clave incluyen:
● Guía del arco: el arco tiende a formar puntos de cátodo y ánodo a lo largo de los bordes de la ranura.
● Alargamiento antes de dividir: el arco se fuerza a extenderse hacia arriba a lo largo de la ranura central primero antes de dividirse entre las rejillas.
● Consistencia de entrada mejorada: mejora la "robustez de captura" para arcos con diferentes amplitudes y posiciones de corriente.
(c) Ranuras escalonadas (comúnmente utilizadas para CC)
La entrada presenta dos ranuras diagonales o bifurcadas escalonadas (desplazadas). Este es un diseño típico de extinción de arco de CC: dado que la corriente de CC no tiene un punto de cruce por cero, el arco debe alargarse, segmentarse y aumentarse su voltaje rápidamente para exceder el voltaje del sistema para la extinción. Efectos principales:
● Trayectoria forzada en forma de Z: el arco se ve obligado a cambiar los puntos de unión y la dirección en la entrada, lo que equivale a doblarse varias veces antes de la entrada, lo que aumenta significativamente su longitud.
● Se promovió la división temprana: las ranuras escalonadas permiten que el arco salte entre rejillas adyacentes más fácilmente, formando múltiples arcos en serie antes.
● Reflujo de arco suprimido: los arcos de CC tienen una alta estabilidad; la estructura escalonada aumenta la complejidad del camino, reduciendo la probabilidad de que se forme un arco sostenido a lo largo de un camino recto.
Cuando los contactos simplemente se separan y se forma la raíz del arco, el arco se somete a una fuerza resultante distinta F dirigida hacia arriba, hacia la entrada de la rejilla.
● Curvas azules en forma de bobina: Líneas de campo magnético alrededor de la corriente del arco, lo que indica que el campo magnético alrededor del arco está distribuido de manera desigual pero está sesgado por la geometría del conductor y los componentes ferromagnéticos.
● Gradación de color: Representa la densidad de flujo magnético; mayor en las curvas de los conductores, cerca de las bobinas y las entradas de la rejilla.
● Flechas rojas: Dirección de la fuerza resultante sobre el arco calculada por ANSYS.
La dirección de la fuerza se deriva de F = I × B (ley de fuerza de Lorentz). La dirección de la corriente del arco sigue el canal del arco y las líneas del campo magnético forman bucles cerrados asimétricos en la región del arco con una dirección B local clara y un gradiente. Por lo tanto, el efecto I×B empuja el arco hacia la entrada de la rejilla, indicada por la F roja en el diagrama.
Variaciones en diferentes posiciones
Cuando el canal de corriente de arco equivalente está en diferentes posiciones en la entrada de la rejilla, la distribución de la densidad del flujo magnético en las rejillas ferromagnéticas y la abertura en forma de V cambia, alterando el vector de fuerza impulsora del arco. Sin embargo, la tendencia general es que el arco se introduzca más profundamente en la muesca en forma de V y se divida aún más entre las rejillas.
● Arco fuera de la entrada
Se realizaron pruebas de rotura de cortocircuito en prototipos de disyuntores en miniatura para registrar las formas de onda de la corriente de cortocircuito y del voltaje de recuperación, que se correlacionaron con las marcas de ablación del conducto de arco después del desmontaje.
● Azul (CH2): forma de onda de corriente de cortocircuito
● Naranja (CH1): voltaje de recuperación/forma de onda TRV
(a) Tiempo de ruptura: 3,0 ms, Corriente de ruptura: 3670 A (máximo)
La forma de onda es más intensa con un zumbido evidente después del truncamiento. La cámara de arco muestra un severo ennegrecimiento y acumulación de material fundido.
(b) Tiempo de ruptura: 3,0 ms, Corriente de ruptura: 2790 A
Los picos agudos y el sonido claro cerca del punto de truncamiento reflejan divisiones y cambios frecuentes. Las fotos muestran ablación concentrada en la zona superior.
(c) Tiempo de ruptura: 2,8 ms, Corriente de ruptura: 2820 A
La supresión y el truncamiento de corriente son más suaves con la división continua. La ablación es uniforme y se evita la nodulación excesiva en un solo punto.
(d) Tiempo de ruptura: 3,0 ms, Corriente de ruptura: 2810 A
Proceso típico de ingresar a la zona de división y completar el truncamiento casi sin TRV. El arco se fija de forma estable en la zona superior, lo que produce una nodulación evidente en la parte superior pero no una ablación general excesiva.
La forma geométrica de la entrada del conducto de arco determina la trayectoria inicial del arco después de ingresar a la cámara de arco:
● Muescas en forma de U/V: para capturar y guiar el arco.
● Ranura central: mejora la coherencia de la guía.
● Ranuras escalonadas: para elongación temprana y división de múltiples segmentos en condiciones de CC.
Los resultados de la simulación de ANSYS se verifican mutuamente con datos de prueba reales, lo que reduce en cierta medida la dificultad y el tiempo necesarios para el desarrollo.
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