高圧遮断器

ガス回路遮断器におけるアーク電圧

ガス回路遮断器では、アーク電圧は遮断プロセスとブレーカー全体の性能に影響を与える重要なパラメータです。アーク電圧は、様々な要因によって数百ボルトから数キロボルトまで変動します。以下に、アーク電圧に影響を与える主要な要因について詳しく説明します。

1. アーク長

• 原理: アークを通過する電圧降下は、アークの長さに比例します。アークの長さが増加すると、アークを維持するために必要な電圧も増加します。

• 説明: ガス回路遮断器の接点が分離すると、それらの間にアークが形成されます。磁場やガスの流れの影響により、アークは伸びることがあります（アーク伸長）。これにより、初期の接触ギャップよりも長いアークが形成されることがあります。アークが長くなるほど、その電圧降下も高くなり、アークを維持するために必要なエネルギーが多くなるため、アークを消去しやすくなります。

2. ガスタイプ

• 原理: アーク電圧は、周囲のガス媒質の物理的特性、例えば圧力、温度、イオン化状態などによって依存します。

• 説明: 異なるガスは異なる絶縁強度と熱伝導率を持ち、アークを維持する容易さに影響を与えます。たとえば、六フッ化硫黄（SF₆）は、優れた絶縁性と電流がゼロ通過後に迅速に脱イオン化する能力があるため、高電圧回路遮断器で一般的に使用されます。高い絶縁強度を持つガスは、アークを維持するためにより高い電圧が必要であり、これはアーク消去に役立ちます。

3. 接点材質

• 原理: アーク接点の材料は、主にアノードおよびカソード領域での電圧降下に微小な影響を与えますが、アーク電圧自体には小さな影響しか与えません。

• 説明: 気体アークにおける主な電圧降下は、アーク本体自体で発生しますが、接点表面ではありません。しかし、接点材料は、アノードとカソード近くの局所的な電圧降下（カソードフォールとアノードフォール）に影響を与えます。低い作業関数を持つ材料（例：銅、銀）は、比較的小さなカソードフォールを持ちますが、この効果は全体的なアーク電土に対しては比較的小さいです。したがって、接点材料の選択は、全体のアーク電圧にほとんど影響を与えません。

4. アークの冷却

• 原理: アークの内部電力は、電流とアーク電圧の積です。アークが冷却により多くの熱を失うと、アーク電圧を増加させて電力を増加させます。

• 説明: アークの冷却は、伝導、対流、放射を通じて起こります。ガス回路遮断器では、ガスの流れ（通常はパッファ機構または磁気吹き出しコイルによって引き起こされます）がアークを冷却し、その温度を低下させます。アークが冷却されると、導電性が低下し、アーク電圧が上昇します。この電圧の上昇により、アークを維持するのが難しくなり、消去が促進されます。

5. アークを通過する電流

• 原理: 気体アークは負の電圧-アンペア特性を示し、つまり電流が減少するとアーク電圧が増加し、逆もまた真です。

• 説明: 電流がゼロ通過に近づくと、アーク電圧は急激に上昇する傾向があります。これは、低電流でアークが不安定になり、荷電粒子の数が減少することで抵抗が高まり、結果として電圧降下が大きくなるためです。一方、高電流ではアークは安定しており、電圧降下は低くなります。この挙動は、成功した遮断が重要な電流ゼロ近傍でのアークの動作を理解する上で重要です。

6. 電流ゼロ近傍でのアーク電圧のランダムな変動と崩壊

• 原理: 電流ゼロ通過近傍では、アーク電圧はランダムな変動と崩壊を示し、これがアーク消去に重要な役割を果たします。

• 説明: 電流がゼロに近づくと、アークはますます不安定になります。アークの物理状態、例えば荷電粒子の密度や温度の急速な変化により、アーク電圧はランダムに変動することがあります。これらの変動により、アーク電圧が突然上昇し、アークが崩壊することがあります。アーク電圧が十分に上昇すると、システムの回復電圧を超えてアークが消去されます。この現象は、アークが電流ゼロで成功裏に遮断されることを確保する上で重要です。

まとめ

ガス回路遮断器におけるアーク電圧は、アーク長、ガスタイプ、接点材質、冷却効果、およびアークを通過する電流などのいくつかの要因によって影響を受けます。アーク電圧は特に電流ゼロ近傍での遮断プロセスにおいて重要な役割を果たし、ランダムな変動と崩壊がアークが成功裏に消去されるかどうかを決定します。これらの要因を理解することは、効率的かつ信頼性の高いガス回路遮断器の設計と運転に不可欠です。