مکانیسم اتلاف گرما برقگیر چیست؟

برقگیرها نقشی اساسی در حفاظت از سیستم های الکتریکی در برابر ولتاژهای اضافه گذرا، مانند ولتاژهای ناشی از برخورد صاعقه یا عملیات سوئیچ، ایفا می کنند. در قلب عملکرد قابل اعتماد آنها یک مکانیسم اتلاف گرما نهفته است. به عنوان یک تامین کننده برقگیر، درک این فرآیندهای اتلاف حرارت برای ما برای تولید محصولات با کیفیت بالا که نیازهای متنوع مشتریان ما را برآورده می کند بسیار مهم است.

1. ترکیب برقگیرها و منابع تولید گرما

برقگیرها معمولاً از عناصر غیر خطی مقاومتی تشکیل شده اند که معمولاً از اکسید روی (ZnO) ساخته می شوند. رابرقگیرهای اکسید رویدارای خواص الکتریکی عالی هنگامی که یک ولتاژ معمولی اعمال می شود، برقگیر دارای مقاومت بالایی است و تنها جریان نشتی کوچکی از آن عبور می کند. با این حال، در طول یک رویداد ولتاژ بیش از حد، مقاومت عناصر ZnO به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و اجازه می‌دهد جریان زیادی از برقگیر عبور کرده و آن را به طور ایمن به زمین منحرف کند.

تولید گرما در برقگیر عمدتا از دو جنبه ناشی می شود. اولاً، جریان نشتی در شرایط عملیاتی معمولی، اگرچه کم است، اما همچنان به دلیل مقاومت مواد برقگیر منجر به افت توان می شود. این تلفات مداوم و کم توان به تدریج در طول زمان گرما تولید می کند. ثانیا، در طول یک رویداد اضافه ولتاژ، مقدار زیادی جریان از برقگیر عبور می کند. جریان بالا باعث اتلاف توان قابل توجهی به شکل گرما بر اساس قانون ژول می شود (P = I^{2}R)، که در آن (P) توان، (I) جریان، و (R) مقاومت عناصر برقگیر است.

2. مکانیسم های اتلاف حرارت

2.1 هدایت

رسانایی یکی از مکانیزم های اولیه انتقال حرارت در برقگیرها است. عناصر مقاوم ZnO با مواد رسانا مانند الکترودها یا براکت های نصب در تماس هستند. گرما از عناصر ZnO با دمای بالا از طریق رسانایی به این مواد مجاور منتقل می شود. سرعت انتقال گرما به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله رسانایی حرارتی مواد درگیر، سطح مقطع تماس، و اختلاف دمای بین منبع گرما (عناصر ZnO) و هیت سینک (الکترود یا براکت).

مواد با رسانایی حرارتی بالا، مانند مس یا آلومینیوم، اغلب برای الکترود در برقگیر استفاده می شود. این مواد می توانند به طور موثر گرما را از عناصر ZnO دور کنند. علاوه بر این، رابط های تماس با طراحی خوب بین عناصر ZnO و الکترودها می تواند مقاومت حرارتی را به حداقل برساند و انتقال حرارت کارآمدتر را تسهیل کند.

2.2 همرفت

همرفت همچنین نقش مهمی در اتلاف حرارت برقگیرها دارد. دو نوع همرفت وجود دارد: همرفت طبیعی و همرفت اجباری.

در همرفت طبیعی، هوای اطراف سرج ارستر توسط سطح داغ محفظه برقگیر گرم می شود. با گرم شدن هوا، چگالی آن کمتر می شود و بالا می رود و جریان طبیعی هوا ایجاد می کند. سپس هوای خنک‌تر برای جایگزینی هوای گرم بالا رفته وارد می‌شود و جریان همرفتی پیوسته را تشکیل می‌دهد. طراحی محفظه برقگیر می تواند بر راندمان همرفت طبیعی تأثیر بگذارد. به عنوان مثال،رعد و برق گیرهای پلیمری اکسید رویاغلب دارای سطح بیرونی آجدار یا باله ای هستند. این ساختارها سطح محفظه را افزایش می دهند و تماس بین محفظه و هوای اطراف را افزایش می دهند. این امکان انتقال حرارت کارآمدتر از طریق همرفت طبیعی را فراهم می کند.

در برخی از کاربردها، همرفت اجباری ممکن است به کار گرفته شود. به عنوان مثال، در تاسیسات برقی با توان یا چگالی بالا، می توان از فن های خارجی برای دمیدن هوا بر روی سرج ارسترها استفاده کرد که باعث افزایش سرعت جریان هوا و در نتیجه بهبود راندمان اتلاف گرما می شود. با این حال، همرفت اجباری ممکن است به انرژی و نگهداری اضافی نیاز داشته باشد، بنابراین معمولاً در شرایط خاصی که جابجایی طبیعی به تنهایی کافی نیست، استفاده می‌شود.

2.3 تشعشع

تابش گرما یکی دیگر از مکانیسم های انتقال حرارت است. تمام اجسام بالاتر از دمای صفر مطلق تابش گرمایی را به شکل امواج الکترومغناطیسی ساطع می کنند. محفظه سرج ارستر با قرار گرفتن در دمای بالاتر از محیط اطراف، تشعشعات حرارتی ساطع می کند. مقدار گرمای تابش شده توسط یک جسم توسط قانون استفان - بولتزمن (Q=\epsilon\sigma AT^{4}) تعیین می‌شود، که در آن (Q) نرخ انتقال حرارت تابشی است، (\epsilon) گسیل‌پذیری ماده است، (\sigma) ثابت استفان - بولتزمن است ((5.67\m8{2}^{0} K^{4})))، (A) سطح جسم است و (T) دمای مطلق جسم است.

تابش مواد محفظه برقگیر بر راندمان تابش گرما تأثیر می گذارد. مواد با انتشار بالا می توانند گرما را به طور مؤثرتری تابش کنند. به عنوان مثال، سطوح سیاه رنگ یا رنگ شده معمولاً در مقایسه با سطوح براق یا صیقلی، انتشار بیشتری دارند. بنابراین، رنگ و پوشش سطح محفظه برقگیر را می توان برای افزایش تابش گرما بهینه کرد.

3. تاثیر اتلاف گرما بر عملکرد قطع کننده سرج

اتلاف گرمای موثر برای عملکرد مناسب و قابلیت اطمینان طولانی مدت برقگیرها بسیار مهم است.

3.1 پایداری حرارتی

اگر گرمای تولید شده در برقگیر نتواند به طور موثر دفع شود، دمای برقگیر همچنان افزایش می یابد. دمای بالا می تواند باعث تغییر در خواص الکتریکی عناصر ZnO شود. به عنوان مثال، مشخصه غیر خطی عناصر ZnO ممکن است تغییر کند، که منجر به افزایش جریان نشتی در شرایط عملیاتی عادی شود. این به نوبه خود گرمای بیشتری تولید می کند و یک حلقه بازخورد مثبت ایجاد می کند که در نهایت می تواند منجر به فرار حرارتی شود. فرار حرارتی می تواند باعث از کار افتادن برقگیر و در نتیجه از بین رفتن حفاظت سیستم الکتریکی شود.

3.2 عمر سرویس

گرمای بیش از حد نیز می تواند به طور قابل توجهی طول عمر برقگیر را کاهش دهد. دماهای بالا می تواند روند پیری مواد در برقگیر، مانند عناصر ZnO و مواد محفظه را تسریع کند. به عنوان مثال، محفظه پلیمری برخی از برقگیرها ممکن است در دماهای بالا با سرعت بیشتری تخریب شود و منجر به ترک یا سایر اشکال آسیب شود. این می تواند اجزای داخلی برقگیر را در معرض محیط قرار دهد و خطر خرابی بیشتر را افزایش دهد.

4. ملاحظات طراحی اتلاف گرما برای انواع مختلف برقگیر

4.1 برقگیرهای ولتاژ پایین

برقگیرهای ولتاژ پایین معمولاً در سیستم های برق خانگی و صنعتی در مقیاس کوچک استفاده می شوند. با توجه به توان نسبتاً پایین آنها، آنها معمولاً برای اتلاف گرما به همرفت طبیعی و تابش متکی هستند. طراحی این برقگیرها اغلب بر به حداکثر رساندن سطح محفظه برای افزایش انتقال حرارت متمرکز است. به عنوان مثال، محفظه ممکن است با یک سری باله های کوچک یا برآمدگی برای افزایش سطح تماس هوا طراحی شود.

4.2 برقگیرهای ولتاژ بالا

برقگیرهای ولتاژ بالا، مانندرعد و برق 33 کیلو ولت، در سیستم های انتقال و توزیع برق استفاده می شود. این برقگیرها باید جریان های زیادی را در طول رویدادهای ولتاژ بیش از حد کنترل کنند که در نتیجه تولید گرمای قابل توجهی ایجاد می کند. علاوه بر جابجایی طبیعی و تابش، رسانایی اهمیت بیشتری پیدا می کند. از الکترودهای باکیفیت با رسانایی حرارتی خوب استفاده می شود و ساختار داخلی برقگیر طوری طراحی شده است که از انتقال حرارت کارآمد از عناصر ZnO به الکترودها و سپس به محیط اطراف اطمینان حاصل کند.

5. نتیجه گیری و فراخوان برای اقدام

درک مکانیسم اتلاف گرما برقگیرها برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد و عمر طولانی مدت آنها ضروری است. در شرکت ما، به عنوان یک تامین کننده حرفه ای برق گیر، ما متعهد به استفاده از آخرین روش های تحقیق و طراحی برای بهینه سازی اتلاف حرارت محصولات خود هستیم. چه به برقگیرهای ولتاژ پایین یا ولتاژ بالا نیاز داشته باشید، محصولات ما به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در برابر شرایط عملیاتی مختلف مقاومت کرده و از سیستم‌های الکتریکی شما محافظت مؤثری ارائه دهند.

اگر علاقه مند به خرید برقگیر هستید یا در مورد اتلاف گرما یا سایر ویژگی های عملکرد آنها سوالی دارید، لطفا با ما تماس بگیرید. ما آماده ارائه مشاوره حرفه ای و محصولات با کیفیت بالا برای رفع نیازهای خاص شما هستیم.

مراجع

• Hund، JE، و Szymanski، GJ (1983). عملکرد حرارتی برقگیرهای اکسید روی. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems، 102(10)، 2967 - 2973.
• Stanek, J., & Piech, D. (2015). تجزیه و تحلیل تأثیر دما بر عملکرد برقگیر. Acta Polytechnica Hungarica، 12 (7)، 97 - 110.
• وانگ، ایکس، و لی، ی. (2018). تحقیق در مورد ویژگی های اتلاف گرما برقگیرهای ولتاژ بالا مجله مهندسی برق و فناوری، 13(6)، 2491 - 2498.