Què és un Arc? | Arc al Interruptor de Circuit

Abans d'entrar en detalls sobre les tecnologies d'extinció o apagament d'arc utilitzades en els interruptors, hauríem de saber primer què és realment un arc.

Què és un Arc?

Durant l'obertura dels contactes que porten corrent en un interruptor, el medi entre els contactes es converteix en altament ionitzat, a través del qual la corrent interrompuda troba un camí de baixa resistència i continua fluix a través d'aquest camí encara que els contactes estiguin separats físicament. Durante el flux de la corrent d'un contacte a l'altre, el camí es calenta tant que llumineix. Això s'anomena arc.

Arc en l'Interruptor de Circuit

Cada vegada que els contactes de l'interruptor de circuit s'obre amb càrrega, es produeix un arc en l'interruptor de circuit, establert entre els contactes que es separen.

Mentre aquest arc es mantingui entre els contactes, la corrent a través de l'interruptor de circuit no serà interrompuda finalment, ja que l'arc és ell mateix un camí conductiu d'electricitat. Per a una interrupció total de la corrent, és essencial apagar l'arc tan ràpid com sigui possible. El criteri principal de disseny d'un interruptor de circuit és proporcionar la tecnologia apropiada d'apagament d'arc en l'interruptor de circuit per aconseguir una interrupció ràpida i segura de la corrent. Abans d'explorar les diferents tècniques d'apagament d'arc utilitzades en l'interruptor de circuit, hauríem de tractar de comprendre què és un arc i la teoria bàsica de l'arc en l'interruptor de circuit, discutim-ho.

Ionització Tèrmica del Gas

Hi ha diversos electrons lliures i ions presents en un gas a temperatura ambient degut a raigs ultraviolats, raigs cósmics i radiactivitat de la Terra. Aquests electrons lliures i ions són tan pocs que no són suficients per sostenir la conducció de l'electricitat. Les molècules de gas es mouen aleatòriament a temperatura ambient. Es troba que una molècula d'aire a una temperatura de 300oK (temperatura ambient) es mou aleatòriament amb una velocitat mitjana aproximada de 500 metres/segons i col·lisiona amb altres molècules a una taxa de 1010 vegades/segons.

Aquestes molècules que es mouen aleatòriament col·lisionen entre elles de manera molt freqüent, però l'energia cinètica de les molècules no és suficient per extreure un electró de les àtoms de les molècules. Si la temperatura augmenta, l'aire es calenta i, en conseqüència, la velocitat de les molècules augmenta. Una major velocitat significa un impacte més gran durant les col·lisions intermoleculars. En aquesta situació, algunes de les molècules es desassocien en àtoms. Si la temperatura de l'aire augmenta encara més, molts àtoms són privats d'electrons de valència i fan que el gas s'ionitzi. Llavors aquest gas ionitzat pot conduir electricitat gràcies als electrons lliures suficients. Aquesta condició de qualsevol gas o aire s'anomena plasma. Aquest fenomen s'anomena ionització tèrmica del gas.

Ionització Deguda a la Col·lisió d'Electrons

Com hem discutit, sempre hi ha alguns electrons lliures i ions presents en l'aire o el gas, però són insuficients per conduir electricitat. Cada vegada que aquests electrons lliures es troben amb un fort camp elèctric, aquests s'orienten cap als punts de major potencial al camp i adquireixen una velocitat suficientment alta. En altres paraules, els electrons s'acceleren en la direcció del camp elèctric degut al gradient de potencial elevat. Durant el seu viatge, aquests electrons col·lisionen amb altres àtoms i molècules de l'aire o el gas i extreuen electrons de valència de les seves òrbites.

Després d'estar extrets dels seus àtoms progenitors, els electrons també es mouen en la direcció del mateix camp elèctric degut al gradient de potencial. Aquests electrons col·lisionaran de manera similar amb altres àtoms i crearàn més electrons lliures que també seran orientats en la direcció del camp elèctric. Gràcies a aquesta acció conjunta, el nombre d'electrons lliures en el gas esdevindrà tan elevat que el gas començarà a conduir electricitat. Aquest fenomen és conegut com a ionització del gas deguda a la col·lisió d'electrons.

Deionització del Gas

Si totes les causes de la ionització del gas s'eliminen d'un gas ionitzat, aquest torna ràpidament al seu estat neutral mitjançant la recombinació de les càrregues positives i negatives. El procés de recombinació de les càrregues positives i negatives es coneix com a procés de deionització. En la deionització per difusió, els ions negatius o electrons i els ions positius es moguen cap a les parets sota l'influència dels gradients de concentració, i així completen el procés de recombinació.

Rol de l'Arc en l'Interruptor de Circuit

Quan dos contactes de corrent s'obre just, un arc creua la brecha del contacte, a través del qual la corrent troba un camí de baixa resistència per fluir, així no hi haurà cap interrupció brusca de la corrent. Com que no hi ha cap canvi brusc ni abrupte en la corrent durant l'obertura dels contactes, no hi haurà cap tensió de commutació anormal en el sistema. Si i és la corrent que flueix a través dels contactes just abans d'obrir-se, L és la inductància del sistema, la tensió de commutació durant l'obertura dels contactes, es pot expressar com V = L.(di/dt) on di/dt és la taxa de canvi de la corrent respecte al temps durant l'obertura dels contactes. En el cas de la corrent alternada, l'arc es extingeix momentàniament a cada zero de corrent. Després de superar cada zero de corrent, el medi entre els contactes separats es re-ionitza durant el cicle següent de la corrent i l'arc en l'interruptor de circuit es restableix. Per fer completa i exitosa l'interrupció, aquesta re-ionització entre els contactes separats ha de ser prevenida després d'un zero de corrent.

Si l'arc en l'interruptor de circuit no existeix durant l'obertura dels contactes que porten corrent, hi hauria una interrupció brusca i abrupta de la corrent, que causaria una tensió de commutació enorme prou per estressar greument l'aïllament del sistema. D'altra banda, l'arc proporciona una transició gradual però ràpida, de l'estat de portador de corrent a l'estat d'interrupció de la corrent dels contactes.

Teoria d'Interrupció, Apagament o Extinció d'Arc

Característiques de la Columna d'Arc

A alta temperatura, les partícules carregades en un gas es mouen ràpidament i aleatòriament, però en l'absència d'un camp elèctric, no hi ha moviment net. Quan s'aplica un camp elèctric al gas, les partícules carregades guanyen velocitat de deriva superposada a la seva movilidad tèrmica aleatòria. La velocitat de deriva és proporcional al gradient de tensió del camp i la mobilitat de les partícules. La mobilitat de les partícules depèn de la massa de les partícules, les partícules més pesades tenen menys mobilitat. La mobilitat també depèn dels camins lliures disponibles en el gas per al moviment aleatori de les partícules. Com que cada vegada que una partícula col·lisiona, perd la seva velocitat dirigida i ha de ser re-accelerada en la direcció del camp elèctric, la mobilitat neta de les partícules es redueix. Si el gas està sota alta pressió, es fa més dens i, per tant, les molècules de gas es troben més a prop, per tant, les col·lisions ocorren més freqüentment, reduint la mobilitat de les partícules. La corrent total generada per les partícules carregades és directament proporcional a la seva mobilitat. Per tant, la mobilitat de les partícules carregades depèn de la temperatura, la pressió del gas i la naturalesa del gas. De nou, la mobilitat de les partícules de gas determina el grau d'ionització del gas.

Per tant, a partir de l'explicació anterior, podem dir que el procés d'ionització del gas depèn de la naturalesa del gas (partícules de gas més pesades o més lleugeres), la pressió del gas i la temperatura del gas. Com hem dit abans, la intensitat de la columna d'arc depèn de la presència d'un medi ionitzat entre els contactes elèctrics separats, per tant, s'ha de donar especial atenció a la reducció de l'ionització o l'increment de la deionització del medi entre els contactes. És per això que la característica principal de disseny de l'interruptor de circuit és proporcionar diferents mètodes de control de pressió, enfrefament per a diferents medis d'arc entre els contactes de l'interruptor de circuit.

Pèrdua de Calor d'un Arc

La pèrdua de calor d'un arc en l'interruptor de circuit es produeix a través de conducció, convecció, així com radiació. En l'interruptor de circuit amb un arc simple en oli, arc en canalitzacions o ranures estretes, gairebé tota la pèrdua de calor és deguda a la conducció. En l'interruptor de circuit de soflada d'aire o en l'interruptor on hi ha un flux de gas entre els contactes elèctrics, la pèrdua de calor del plasma d'arc ocurre per mitjà del procés de convecció. A pressió normal, la radiació no és un factor significatiu, però a pressions més altes, la radiació pot convertir-se en un factor molt important de dissipació de calor del plasma d'arc. Durant l'obertura dels contactes elèctrics, l'arc en l'interruptor de circuit es produeix i s'extingeix a cada creuament de zero de la corrent, i després es restableix durant el cicle següent. L'extinció final o apagament d'arc en l'interruptor de circuit s'aconsegueix mitjançant un increment ràpid de la força dielèctrica en el medi entre els contactes, de manera que no es pugui restablir l'arc després del creuament de zero. Aquest increment ràpid de la força dielèctrica entre els contactes de l'interruptor de circuit s'aconsegueix o bé per la deionització del gas en el medi d'arc o substituint el gas ionitzat per un gas fresc i fred.
Hi ha diversos processos de deionització aplicats per a l'extinció d'arc en l'interruptor de circuit, discutim-ho breument.

Deionització del Gas Deguda a l'Augment de Pressió

Si la pressió del camí d'arc augmenta, la densitat del gas ionitzat augmenta, el que significa que les partícules en el gas es troben més a prop, i com a resultat, el camí lliure mitjà de les partícules es redueix. Això augmenta la taxa de col·lisió i, com hem discutit anteriorment, en cada col·lisió, les partícules carregades perden la seva velocitat dirigida en la direcció del camp elèctric i tornen a ser re-accelerades cap al camp. Es pot dir que la mobilitat general de les partícules carregades es redueix, per tant, la tensió necessària per mantenir l'arc augmenta. Un altre efecte de l'augment de la densitat de les partícules és una taxa més alta de deionització del gas deguda a la recombinació de les partícules amb càrregues oposades.

Deionització del Gas Deguda a la Disminució de Temperatura

La taxa d'ionització del gas depèn de la intensitat de l'impacte durant les col·lisions de les partícules de gas. La intensitat de l'impacte durant les col·lisions de les partícules depèn de la velocitat dels moviments aleatoris de les partícules. Aquest moviment aleatori d'una partícula i la seva velocitat augmenten amb l'augment de la temperatura del gas. Per tant, es pot concloure que si la temperatura d'un gas augmenta, el seu procés