STATISCHER DRUCK
Der statische Druck in einem elektrischen Gehäuse ist grundsätzlich eine Funktion des inneren Volumens, was durch das ideale Gasgesetz ausgedrückt werden kann.
Für Berechnungen empfiehlt es sich, das ideale Gasgesetz in folgender Form zu verwenden:
, wobei das tiefgestellte i und f den anfänglichen und finalen Zustand eines Prozesses darstellen. Bei konstanter Temperatur ergibt sich folgende Gleichung:
, die als Boyle-Mariotte'sches Gesetz bezeichnet wird.
Bei konstantem Druck ergibt das ideale Gasgesetz folgende Gleichung:
, die als Gay-Lussac-Gesetz bezeichnet wird. Das Gay-Lussac-Gesetz ist für Versuche anzuwenden, die bei konstantem atmosphärischem Druck durchgeführt werden.
Alle möglichen Zustände eines idealen Gases können wie nachstehend abgebildet durch ein PvT-Diagramm dargestellt werden. Das sich ergebende Verhalten, wenn eine der drei Zustandsvariablen konstant gehalten wird, ist ebenfalls dargestellt.
Abb. 1.10
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Wie das obige Beispiel zeigt, stellt die statische Druckprüfung lediglich einen der Effekte eines Lichtbogens dar. Durch Kombination aller drei in diesem Abschnitt erläuterten Prüfvariablen ergibt sich eine präzise Darstellung der optischen Beständigkeit unter einem PvT-Effekt, der eine thermoakustische Wellenfront umfasst.
Das einfache Verhältnis zwischen Druck und Volumen kann wie folgt abgeleitet werden:
Der statische Druck nimmt zu, wenn das Volumen abnimmt.
Dabei ist zu beachten, dass das Volumen NICHT der Fläche entspricht, sodass die allgemeine Gleichung P=F/A nicht angewendet werden kann.
Während eines elektrischen Lichtbogenüberschlags nimmt der statische Druck innerhalb eines Gehäuses zu, bis entweder (a) ein Druckentlastungssystem wie eine Belüftungsöffnung aktiviert wird oder (b) die physische Zerstörung des Systems zur Druckentlastung führt. Abb. 1.12 zeigt ein Beispiel eines Druckentlastungssystems für Schaltgeräte. "Lichtbogenbeständige" oder "lichtbogensichere" Schaltgeräte verwenden verschiedene Variationen dieses Systems.
Abb. 1.12. |
Das Druckentlastungssystem wird durch die thermoakustische Welle (siehe nächsten Abschnitt) aktiviert, d.h. nicht durch den statischen Druckaufbau. Im Ergebnis verringert sich der interne statische Druck.
Abb. 1.13 zeigt den Druckaufbau und die Druckminderung als eine Funktion der Zeit innerhalb eines lichtbogenbeständigen Schaltgeräts. Der gemessene Maximaldruck betrug etwa 19 psi.
Abb. 1.13 - Dynamische Darstellung eines Lichtbogenüberschlags |
Abb. 1.13 zeigt deutlich den Druckanstieg während eines Lichtbogenüberschlags sowie den Druckabfall infolge der Aktivierung des Druckentlastungssystems.
Um die Beständigkeit einer Infrarotfenster-Optik gegen die statischen Drücke infolge eines Lichtbogenüberschlags ordnungsgemäß zu prüfen, muss ein sogenannter "Hawk HydroTest" durchgeführt werden.
Da der Maximaldruck bei einen Lichtbogenüberschlag 19 psi beträgt, ergibt einen Anstieg um 150 % für eine Infrarotfenster-Optik eine Mindestbeständigkeit gegen statischen Druck von 48 psi.
Die Hawk IR-Infrarotfenster der C-Reihe wurden erfolgreich einer Reihe von HydroTests unterzogen, die eine Beständigkeit gegen statischen Druck ergaben, welche die bei einem Störlichtbogen auftretenden statischen Drücke bei weitem übersteigt.
DYNAMISCHER DRUCK (thermoakustische Welle)
Die zerstörerischste Kraft während eines Lichtbogenüberschlags ist der Anstieg des dynamischen Drucks, der als thermoakustische Welle bezeichnet wird. Die thermoakustische Welle ist eine Funktion des Kurzschlussstroms und entsteht unabhängig vom Volumen des Geräts.
Diese Druckwelle kann Impulsschallpegel erzeugen, welche die zulässigen OSHA-Grenzwerte deutlich übersteigen. Die Kraft der Druckwelle kann die Trommelfelle platzen lassen, zum Kollabieren der Lungen führen und tödliche Verletzungen bewirken.
Die thermoakustische Welle wird zur Aktivierung von in lichtbogenbeständigen integrierten Druckentlastungssystemen genutzt, die den Druck im Geräteinneren (wie im Abschnitt zum statischen Druck erläutert) erheblich reduzieren.
Abb. 1.14 - Druckentlastungsöffnungen nach einem Lichtbogenüberschlag |
Ein statischer Druck von 19 psi erzeugt keine solchen Kräfte. Die in Abb. 1.15 dargestellte Auswölbung ist das direkte Ergebnis der Druckwelle, die durch einen 0,1-sekündigen Lichtbogenüberschlag mit 20 kA erzeugt wird.
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Abb. 1.15 - Auswölbung durch einen 20 kA-Lichtbogenüberschlag
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Die thermoakustische Wellenenergie ist eine Funktion des Kurzschlussstroms. Jeder Aufprall der Druckwelle innerhalb des rechteckigen Gehäuses führt zu einem Anstieg der Geschwindigkeit. Dieser Effekt wird als "Drucküberhöhung" bezeichnet. Ein Infrarotfenster muss mittels thermoakustischer Modellierung auf die Beständigkeit gegen die Drucküberhöhung während eines Lichtbogenüberschlags geprüft werden.
Wenn eine Infrarotfenster-Optik nicht lichtbogengeprüft wurde, kann sie nicht als Teil einer Vorrichtung zur Energiereduktion bei Störlichtbögen gemäß dem Standard NFPA70E verwendet werden.
