Các rào cản vật lý và sự phối hợp điện môi bên trong cầu chì
Tại ranh giới giữa các thiết bị điện hạ thế và hệ thống bảo vệ cao thế, đặc tính vật lý của hồ quang điện luôn là yếu tố thiết kế quan trọng. Cầu chì tự ngắt có thể làm cho hồ quang điện bị kéo dài và nguội đi, về cơ bản là sự tái cấu trúc hình học và can thiệp nhiệt động học vào kênh plasma. Khi kim loại nóng chảy bay hơi dưới dòng điện sự cố, một hồ quang ban đầu nhanh chóng hình thành, và độ dẫn điện của nó tăng theo cấp số nhân với nhiệt độ. Tại thời điểm này, nhiệm vụ chính của hệ thống dập tắt hồ quang không phải là chống lại năng lượng, mà là thay đổi hình dạng và môi trường của hồ quang.
Tái cấu trúc quy mô vật lý: Kéo dài và phân đoạn
Chiều dài của hồ quang quyết định trực tiếp điện áp cần thiết để duy trì sự cháy của nó. Trong các thiết kế giới hạn dòng điện, cột hồ quang được kéo dài về mặt cơ học bằng cách nhanh chóng tăng khe hở tiếp xúc hoặc sử dụng lực điện từ để điều khiển hồ quang.
Trong cấu trúc tiếp xúc kiểu cầu, từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy qua mạch tiếp xúc tác động lên hồ quang, và lực điện từ đẩy hồ quang di chuyển nhanh chóng ra ngoài.
Đường đi của hồ quang bị kéo dài một cách cưỡng bức, và cường độ điện trường trên mỗi đơn vị chiều dài giảm tương ứng.
Một số cầu chì sử dụng lưới kim loại để phân chia thêm hồ quang kéo dài thành nhiều đoạn hồ quang ngắn hơn.
Mỗi đoạn hồ quang ngắn cần có sự sụt giảm điện áp catốt để duy trì nó. Hiệu ứng tích lũy điện áp nối tiếp này làm tăng đáng kể nhu cầu điện áp hồ quang tổng thể cho đến khi vượt quá khả năng duy trì của nguồn điện.
Tăng cường tiếp xúc điện môi: Làm mát và chuyển vị
Việc chỉ kéo dài hồ quang mà không kèm theo làm mát vẫn có thể khiến nó bị ion hóa trong kênh dài. Đây là lúc cát thạch anh hoặc vật liệu tạo khí lấp đầy cầu chì phát huy tác dụng.
Cấu trúc chứa đầy cát thạch anh tận dụng diện tích bề mặt riêng lớn của các hạt mịn; khi hồ quang cháy bên trong chúng, nhiệt được hấp thụ nhanh chóng bởi chất độn.
Hơi kim loại khuếch tán vào các khe hở giữa các hạt cát, gây ra sự giảm mạnh nhiệt độ plasma hồ quang và ngăn chặn sự ion hóa nhiệt.
Trong các cầu chì tự rơi hoặc tạo khí, vật liệu tạo khí trên thành trong của ống cầu chì phân hủy ở nhiệt độ cao, giải phóng một lượng lớn hydro và các khí khác. Luồng khí áp suất cao được bơm dọc theo trục của ống, không chỉ mang đi nhiệt mà còn trực tiếp thay thế môi trường ion hóa trong khe hở hồ quang.
Sự kéo dài gây ra nhược điểm cho điện áp hồ quang, trong khi quá trình làm nguội làm mất đi năng lượng cần thiết để duy trì sự ion hóa của hồ quang. Hai lực này kết hợp trong không gian hạn hẹp của cầu chì, khiến cho hồ quang khó có thể bùng cháy trở lại khi dòng điện đi qua điểm 0.
