¿Qué es un arco eléctrico? | Arco en el interruptor automático

Antes de profundizar en los detalles de las tecnologías de extinción del arco o apagado del arco utilizadas en el interruptor de circuito, primero debemos saber qué es un arco.

¿Qué es un arco?

Durante la apertura de los contactos que llevan corriente en un interruptor de circuito, el medio entre los contactos en apertura se ioniza altamente, proporcionando una ruta de baja resistencia por la cual la corriente de interrupción continúa fluyendo incluso cuando los contactos están físicamente separados. Durante el flujo de corriente de un contacto a otro, la ruta se calienta tanto que brilla. Esto se llama arco.

Arc in Circuit Breaker

Cada vez que los contactos de corriente de un interruptor de circuito se abren bajo carga, se establece un arco en el interruptor de circuito entre los contactos que se separan.

Mientras este arco se mantenga entre los contactos, la corriente a través del interruptor de circuito no será interrumpida finalmente, ya que el arco en sí mismo es una vía conductora de electricidad. Para la interrupción total de la corriente, es esencial extinguir el arco lo más rápido posible. El criterio principal de diseño de un interruptor de circuito es proporcionar la tecnología apropiada de extinción del arco en el interruptor de circuito para lograr una interrupción rápida y segura de la corriente. Por lo tanto, antes de revisar diferentes técnicas de extinción del arco utilizadas en el interruptor de circuito, debemos tratar de entender qué es un arco y la teoría básica del arco en el interruptor de circuito, vamos a discutirlo.

Ionización térmica del gas

Existen varios electrones libres e iones presentes en un gas a temperatura ambiente debido a los rayos ultravioleta, cósmicos y a la radiactividad de la Tierra. Estos electrones libres e iones son tan pocos en número que son insuficientes para sostener la conducción de la electricidad. Las moléculas de gas se mueven al azar a temperatura ambiente. Se ha encontrado que una molécula de aire a una temperatura de 300oK (temperatura ambiente) se mueve al azar con una velocidad aproximada promedio de 500 metros/segundo y colisiona con otras moléculas a una tasa de 1010 veces/segundo.

Estas moléculas que se mueven al azar colisionan entre sí de manera muy frecuente, pero la energía cinética de las moléculas no es suficiente para extraer un electrón de los átomos de las moléculas. Si se aumenta la temperatura, el aire se calentará y, consecuentemente, la velocidad de las moléculas aumentará. Una mayor velocidad significa un mayor impacto durante la colisión intermolecular. En esta situación, algunas de las moléculas se disocian en átomos. Si la temperatura del aire se incrementa aún más, muchos átomos pierden sus electrones de valencia y hacen que el gas se ionice. Entonces, este gas ionizado puede conducir electricidad debido a los suficientes electrones libres. Esta condición de cualquier gas o aire se llama plasma. Este fenómeno se llama ionización térmica del gas.

Ionización debido a la colisión de electrones

Como hemos discutido, siempre hay algunos electrones libres e iones presentes en el aire o en el gas, pero son insuficientes para conducir electricidad. Cada vez que estos electrones libres se encuentran con un fuerte campo eléctrico, estos son dirigidos hacia puntos de mayor potencial en el campo y adquieren una velocidad suficientemente alta. En otras palabras, los electrones se aceleran a lo largo de la dirección del campo eléctrico debido al alto gradiente de potencial. Durante su viaje, estos electrones colisionan con otros átomos y moléculas del aire o del gas y extraen electrones de valencia de sus órbitas.

Después de ser extraídos de los átomos padres, los electrones también se moverán en la dirección del mismo campo eléctrico debido al gradiente de potencial. Estos electrones colisionarán de manera similar con otros átomos y crearán más electrones libres que también serán dirigidos a lo largo del campo eléctrico. Debido a esta acción conjugada, el número de electrones libres en el gas se volverá tan alto que el gas comenzará a conducir electricidad. Este fenómeno se conoce como ionización del gas debido a la colisión de electrones.

Desionización del gas

Si se eliminan todas las causas de ionización del gas de un gas ionizado, éste vuelve rápidamente a su estado neutro mediante la recombinación de las cargas positivas y negativas. El proceso de recombinación de las cargas positivas y negativas se conoce como proceso de desionización. En la desionización por difusión, los iones negativos o electrones y los iones positivos se mueven hacia las paredes bajo la influencia de los gradientes de concentración, completando así el proceso de recombinación.

Papel del arco en el interruptor de circuito

Cuando dos contactos de corriente se abren, un arco puentea la brecha de contacto a través de la cual la corriente obtiene una ruta de baja resistencia para fluir, por lo que no habrá ninguna interrupción súbita de la corriente. Como no hay ningún cambio repentino y abrupto en la corriente durante la apertura de los contactos, no habrá ningún voltaje de conmutación anormal en el sistema. Si i es la corriente que fluye a través de los contactos justo antes de que se abran, L es la inductancia del sistema, el voltaje de conmutación durante la apertura de los contactos, puede expresarse como V = L.(di/dt) donde di/dt es la tasa de cambio de la corriente con respecto al tiempo durante la apertura de los contactos. En el caso de corriente alterna, el arco se extingue momentáneamente en cada cero de corriente. Después de cruzar cada cero de corriente, el medio entre los contactos separados se ioniza nuevamente durante el siguiente ciclo de corriente y el arco en el interruptor de circuito se restablece. Para lograr una interrupción completa y exitosa, esta re-ionización entre los contactos separados debe prevenirse después de un cero de corriente.

Si el arco en el interruptor de circuito está ausente durante la apertura de los contactos que llevan corriente, habría una interrupción repentina y abrupta de la corriente, lo que causaría un voltaje de conmutación enorme suficiente para estresar severamente la aislación del sistema. Por otro lado, el arco proporciona una transición gradual pero rápida, desde el estado de conmutación de corriente hasta el estado de interrupción de corriente de los contactos.

Teoría de la interrupción, apagado o extinción del arco

Características de la columna de arco

A alta temperatura, las partículas cargadas en un gas se mueven rápidamente y al azar, pero en ausencia de campo eléctrico, no ocurre movimiento neto. Cuando se aplica un campo eléctrico en el gas, las partículas cargadas ganan velocidad de deriva superpuesta a su movimiento térmico aleatorio. La velocidad de deriva es proporcional al gradiente de voltaje del campo y a la movilidad de las partículas. La movilidad de las partículas depende de la masa de la partícula, cuanto más pesada es la partícula, menor es la movilidad. La movilidad también depende de las trayectorias libres disponibles en el gas para el movimiento aleatorio de las partículas. Dado que cada vez que una partícula colisiona, pierde su velocidad dirigida y tiene que ser re-acelerada en la dirección del campo eléctrico nuevamente. Por lo tanto, la movilidad neta de las partículas se reduce. Si el gas está a alta presión, se vuelve más denso y, por lo tanto, las moléculas de gas se acercan más, por lo que las colisiones ocurren con más frecuencia, lo que reduce la movilidad de las partículas. La corriente total por partículas cargadas es directamente proporcional a su movilidad. Por lo tanto, la movilidad de las partículas cargadas depende de la temperatura, la presión del gas y la naturaleza del gas. Nuevamente, la movilidad de las partículas de gas determina el grado de ionización del gas.

Por lo tanto, a partir de la explicación anterior, podemos decir que el proceso de ionización del gas depende de la naturaleza del gas (partículas de gas más pesadas o ligeras), la presión del gas y la temperatura del gas. Como dijimos anteriormente, la intensidad de la columna de arco depende de la presencia de un medio ionizado entre los contactos eléctricos separados, por lo que se debe prestar especial atención a la reducción de la ionización o al aumento de la desionización del medio entre los contactos. Por eso, la característica principal de diseño del interruptor de circuito es proporcionar diferentes métodos de control de presión, enfriamiento para diferentes medios de arco entre los contactos del interruptor de circuito.

Pérdida de calor desde un arco

La pérdida de calor desde un arco en un interruptor de circuito se produce a través de conducción, convección y radiación. En un interruptor de circuito con un arco en aceite, arco en chimeneas o ranuras estrechas, casi toda la pérdida de calor se debe a la conducción. En un interruptor de circuito de chorro de aire o en un interruptor donde hay un flujo de gas entre los contactos eléctricos, la pérdida de calor del plasma del arco ocurre debido al proceso de convección. A presión normal, la radiación no es un factor significativo, pero a presión más alta, la radiación puede convertirse en un factor muy importante de disipación de calor desde el plasma del arco. Durante la apertura de los contactos eléctricos, se produce un arco en el interruptor de circuito y se extingue en cada cruce de cero de la corriente y luego se restablece durante el siguiente ciclo. La extinción final del arco o apagado del arco en el interruptor de circuito se logra mediante un aumento rápido de la resistencia dieléctrica en el medio entre los contactos para que no sea posible el restablecimiento del arco después del cruce de cero. Este aumento rápido de la resistencia dieléctrica entre los contactos del interruptor de circuito se logra ya sea mediante la desionización del gas en el medio del arco o mediante la sustitución del gas ionizado por un gas fresco y frío.
Existen varios procesos de desionización aplicados para la extinción del arco en el interruptor de circuito, vamos a discutirlos brevemente.

Desionización del gas debido al aumento de presión

Si la presión del camino del arco aumenta, la densidad del gas ionizado aumenta, lo que significa que las partículas en el gas se acercan más, y como resultado, la trayectoria libre media de las partículas se reduce. Esto aumenta la tasa de colisiones y, como discutimos anteriormente, en cada colisión, las partículas cargadas pierden su velocidad dirigida a lo largo del campo eléctrico y nuevamente son re-aceleradas hacia el campo. Se puede decir que la movilidad general de las partículas cargadas se reduce, por lo que el voltaje requerido para mantener el arco aumenta. Otro efecto de la mayor densidad de partículas es una tasa de desionización del gas más alta debido a la recombinación de partículas cargadas opuestas.

Desionización del gas debido a la disminución de la temperatura

La tasa de ionización del gas depende de la intensidad del impacto durante la colisión de las partículas de gas. La intensidad del impacto durante la colisión de las partículas depende a su vez de la velocidad de los movimientos aleatorios de las partículas. Este movimiento aleatorio de una partícula y su velocidad aumentan con el aumento de la temperatura del gas. Por lo tanto, se puede concluir que si se aumenta la temperatura de un gas, su proceso de ionización aumenta y la afirmación contraria también es cierta, es decir, si la temperatura disminuye, la tasa de ionización del gas disminuye, lo que significa que la desionización del gas aumenta. Por lo tanto, se requiere un voltaje mayor para mantener el plasma del arco con una temperatura disminuida. Finalmente, se puede decir que el enfriamiento aumenta eficazmente la resistencia