Unsa ang usa ka Arc? | Arc sa Circuit Breaker

Bago tayo pumunta sa mga detalye ng pagquench ng arc o pagextinct ng arc na teknolohiya na ginagamit sa circuit breaker, dapat nating malaman muna kung ano talaga ang isang arc.

Ano ang Isang Arc?

Sa panahon ng pagbubukas ng current carrying contacts sa circuit breaker, ang medium sa gitna ng nagbubukas na contacts ay naging mataas na ionized kung saan ang interrupting current ay nakakakuha ng mababang resistive path at patuloy na umiikot sa pamamagitan ng path na ito kahit ang contacts ay pisikal na hiwalay. Sa panahon ng pag-ikot ng current mula sa isa pang contact, ang path ay naging sobrang mainit na siya mismo ang lumilipad. Ito ang tinatawag na arc.

Arc sa Circuit Breaker

Kapag ang load current contacts ng circuit breaker ay binuksan, mayroong arc sa circuit breaker, na nabuo sa pagitan ng separating contacts.

Sama-sama ang arc sa pagitan ng contacts, ang current sa pamamagitan ng circuit breaker ay hindi magiging interumpido hanggang sa maquench ang arc nang mabilis. Ang pangunahing disenyo ng circuit breaker ay upang magbigay ng angkop na teknolohiya ng pagquench ng arc sa circuit breaker upang matiyak ang mabilis at ligtas na pag-interumpo ng current. Kaya bago tayo pumunta sa iba't ibang teknik ng pagquench ng arc na ginagamit sa circuit breaker, dapat nating subukan maintindihan kung ano ang arc at ang basic theory ng arc sa circuit breaker, hayaan nating talakayan.

Thermal Ionization ng Gas

Mayroong ilang libreng elektron at ions na naroroon sa gas sa temperatura ng silid dahil sa ultraviolet rays, cosmic rays at radioactivity ng mundo. Ang mga libreng elektron at ions na ito ay napakakaunti na hindi sapat para sustein ang conduction ng kuryente. Ang mga gas molecules ay random na galaw sa temperatura ng silid. Natuklasan na ang air molecule sa temperatura ng 300oK (Temperature ng silid) ay random na galaw na may average velocity ng 500 meters/second at nag-collide sa iba pang molecules sa rate ng 1010 times/second.

Ang mga random na galaw ng molecules ay madalas na nag-collide sa bawat isa ngunit ang kinetic energy ng molecules ay hindi sapat upang i-extract ang elektron mula sa atoms ng molecules. Kapag ang temperatura ay itinaas, ang air ay inihain at bilang resulta, ang velocity ng molecules ay itinaas. Mas mataas na velocity ibig sabihin mas mataas na impact sa collision ng inter molecular. Sa sitwasyon na ito, ang ilang molecules ay disassociated sa atoms. Kapag ang temperatura ng air ay pa-ibabaw, maraming atoms ay nawalan ng valence electrons at gawin ang gas ionized. Ang ionized na gas na ito ay maaaring mag-conduct ng kuryente dahil sa sapat na libreng elektron. Ang kondisyon na ito ng anumang gas o air ay tinatawag na plasma. Ang phenomenon na ito ay tinatawag na thermal ionization ng gas.

Ionization Dahil sa Electron Collision

Tulad ng aming pinag-usapan, mayroong ilang libreng elektron at ions na naroroon sa air o gas ngunit hindi sapat upang mag-conduct ng kuryente. Kapag ang mga libreng elektron na ito ay dumating sa malakas na electric field, ang mga ito ay dinirekta sa mas mataas na puntos ng potential sa field at nakakuha ng sapat na mataas na velocity. Sa ibang salita, ang mga elektron ay inaccelerate sa direksyon ng electric field dahil sa mataas na potential gradient. Sa kanilang paglalakbay, ang mga elektron ay nag-collide sa iba pang atoms at molecules ng air o gas at inextract ang valance electrons mula sa kanilang orbit.

Pagkatapos inextract mula sa parent atoms, ang mga elektron ay mananatili ring tumatakbo sa direksyon ng parehong electric field dahil sa potential gradient. Ang mga elektron na ito ay mag-collide sa iba pang atoms at lumikha ng mas maraming libreng elektron na dininirekta rin sa electric field. Dahil sa conjugative action, ang bilang ng libreng elektron sa gas ay naging napakataas na ang gas ay nagsisimulang mag-conduct ng kuryente. Ang phenomenon na ito ay kilala bilang ionization ng gas dahil sa electron collision.

Deionization ng Gas

Kapag ang lahat ng sanhi ng ionization ng gas ay alisin mula sa ionized na gas, ito ay mabilis na bumabalik sa neutral state nito sa pamamagitan ng recombination ng positive at negative charges. Ang proseso ng recombination ng positive at negative charges ay kilala bilang deionization process. Sa deionization sa pamamagitan ng diffusion, ang negative ions o electrons at positive ions ay lumilipat sa walls sa ilalim ng epekto ng concentration gradients at kumpleto ang proseso ng recombination.

Tungkulin ng Arc sa Circuit Breaker

Kapag ang dalawang current contacts ay binuksan, ang arc ay nag-bridge sa contact gap kung saan ang current ay nakakakuha ng mababang resistive path upang umikot kaya walang biglaang interrupsiyon ng current. Dahil wala namang bigla at abrupt na pagbabago ng current sa panahon ng pagbubukas ng contacts, wala namang abnormal switching over voltage sa system. Kung ang i ay ang current na umiikot sa contacts bago sila buksan, L ay ang system inductance, ang switching over voltage sa panahon ng pagbubukas ng contacts, maaaring ipahayag bilang V = L.(di/dt) kung saan di/dt ang rate of change ng current sa respeto ng oras sa panahon ng pagbubukas ng contacts. Sa kaso ng alternating current, ang arc ay temporary na nai-extinguish sa bawat current zero. Pagkatapos ng bawat current zero, ang media sa pagitan ng separated contacts ay muling naging ionized sa susunod na cycle ng current at ang arc sa circuit breaker ay muling nabuo. Upang gawin ang interrupsiyon nang buo at matagumpay, ang re-ionization sa pagitan ng separated contacts ay dapat maiwasan pagkatapos ng current zero.

Kapag ang arc sa circuit breaker ay wala sa panahon ng pagbubukas ng current carrying contacts, maaaring magkaroon ng bigla at abrupt na interrupsiyon ng current na sapat upang makalikha ng malaking switching over voltage na sapat upang severely stress ang insulation ng system. Sa kabilang banda, ang arc ay nagbibigay ng gradual pero mabilis na transition mula sa current carrying patungo sa current breaking states ng contacts.

Arc Interruption o Arc Quenching o Arc Extinction Theory

Arc Column Characteristics

Sa mataas na temperatura, ang charged particles sa gas ay mabilis at random na galaw, ngunit sa absence ng electric field, walang net motion na naganap. Kapag ang isang electric field ay inapply sa gas, ang charged particles ay nakakuha ng drift velocity na superimposed sa kanilang random thermal motion. Ang drift velocity ay proportional sa voltage gradient ng field at particle mobility. Ang particle mobility ay depende sa mass ng particle, mas mabigat ang particles, mas mababa ang mobility. Ang mobility ay depende rin sa mean free paths available sa gas para sa random movement ng particles. Dahil sa bawat collision, ang particle ay nawalan ng directed velocity at kailangan ulit na i-re-accelerate sa direksyon ng electric field. Kaya ang net mobility ng particles ay bawas. Kung ang gas ay nasa mataas na presyon, ito ay naging mas dense at kaya, ang gas molecules ay mas malapit sa bawat isa, kaya ang collision ay mas madalas na nangyayari na bawas ang mobility ng particles. Ang total current ng charged particles ay directly proportional sa kanilang mobility. Kaya ang mobility ng charged particles ay depende sa temperatura, presyon ng gas at nature ng gas. Muli, ang mobility ng gas particles ay nagdetermina ng degree ng ionization ng gas.

Kaya mula sa itaas na paliwanag, maaari nating sabihin na ang ionization process ng gas ay depende sa nature ng gas (mas mabigat o mas light ang gas particles), presyon ng gas at temperatura ng gas. Tulad ng sinabi namin na ang intensity ng arc column depende sa presence ng ionized media sa pagitan ng separated electrical contacts, kaya dapat magbigay ng espesyal na pansin sa pagbawas ng ionization o pagtaas ng deionization ng media sa pagitan ng contacts. Kaya ang pangunahing disenyo ng circuit breaker ay upang magbigay ng iba't ibang pressure control methods, cooling methods para sa iba't ibang arc media sa pagitan ng circuit breaker contacts.

Heat loss mula sa Arc

Ang heat loss mula sa arc sa circuit breaker ay nangyayari sa pamamagitan ng conduction, convection at radiation. Sa circuit breaker na may plain break arc sa oil, arc sa chutes o narrow slots, halos lahat ng heat loss ay dahil sa conduction. Sa air blast circuit breaker o sa breaker kung saan may gas flow sa pagitan ng electrical contacts, ang heat loss ng arc plasma ay nangyayari dahil sa convection process. Sa normal na presyon, ang radiation ay hindi significant factor ngunit sa mataas na presyon, ang radiation ay maaaring maging isang napakahalagang factor ng heat dissipation mula sa arc plasma. Sa panahon ng pagbubukas ng electrical contacts, ang arc sa circuit breaker ay nabuo at ito ay nai-extinguish sa bawat zero crossing ng current at pagkatapos ay muling nabuo sa susunod na cycle. Ang final na arc extinction o arc quenching sa circuit breaker ay natutugunan sa pamamagitan ng mabilis na pagtaas ng dielectric strength sa medium sa pagitan ng contacts upang hindi maaaring muling mabuo ang arc pagkatapos ng zero crossing. Ang mabilis na pagtaas ng dielectric strength sa pagitan ng circuit breaker contacts ay natutugunan sa pamamagitan ng deionization ng gas sa arc media o sa pamamagitan ng pagpapalit ng ionized gas sa cool at fresh gas.
May iba't ibang deionization processes na inapply para sa arc extinction sa circuit breaker, hayaan nating talakayan sa maikling panahon.

Deionization ng Gas Dahil sa Increasing Pressure

Kapag ang presyon ng arc path ay itinaas, ang density ng ionized gas ay itinaas na ibig sabihin, ang particles sa gas ay mas malapit sa bawat isa at bilang resulta, ang mean free path ng particles ay bawas. Ito ay nagpapataas ng collision rate at tulad ng aming pinag-usapan, sa bawat collision, ang charged particles ay nawalan ng directed velocity sa electric field at muli silang i-re-accelerated patungo sa field. Maaari nating sabihin na ang overall mobility ng charged particles ay bawas kaya ang voltage na kinakailangan upang mapanatili ang arc ay itinaas. Ang isa pang epekto ng itinaas na density ng particles ay mas mataas na rate ng deionization ng gas dahil sa recombination ng oppositely charged particles.

Deionization ng Gas Dahil sa Decreasing Temperature

Ang rate ng ionization ng gas ay depende sa intensity ng impact sa collision ng gas particles. Ang intensity ng impact sa collision ng particles ay depende sa velocity ng random motions ng particles. Ang random motion ng isang particle at ang velocity nito ay itinaas sa pagtaas ng temperatura ng gas. Kaya maaari nating masabi na kapag ang temperatura ng gas ay itinaas, ang ionization process nito ay itinaas at ang opposite statement ay totoong din, kung ang temperatura ay bawas, ang rate ng ionization ng gas ay bawas na ibig sabihin ang deionization ng gas ay