Apa itu Busur Listrik? | Busur Listrik dalam Pemutus Sirkuit

Sebelum membahas detail tentang pemadam busur atau pemadam busur teknologi yang digunakan dalam penghancur sirkuit, kita harus mengetahui terlebih dahulu apa itu busur.

Apa Itu Busur?

Selama pembukaan kontak penghantar arus dalam penghancur sirkuit, medium antara kontak yang terbuka menjadi sangat terionisasi melalui mana arus pemutus mendapatkan jalur resistansi rendah dan terus mengalir melalui jalur ini bahkan ketika kontak secara fisik dipisahkan. Selama aliran arus dari satu kontak ke kontak lain, jalur menjadi begitu panas sehingga bersinar. Ini disebut busur.

Busur dalam Penghancur Sirkuit

Setiap kali, pada saat kontak arus beban penghancur sirkuit terbuka, ada busur dalam penghancur sirkuit, yang terbentuk antara kontak yang terpisah.

Selama busur ini berlanjut di antara kontak, arus melalui penghancur sirkuit tidak akan terputus akhirnya karena busur sendiri adalah jalur konduktif listrik. Untuk penghentian total arus, penghancur sirkuit perlu memadamkan busur secepat mungkin. Kriteria desain utama penghancur sirkuit adalah untuk menyediakan teknologi pemadam busur yang tepat dalam penghancur sirkuit untuk memenuhi pemutusan arus yang cepat dan aman. Jadi sebelum membahas berbagai teknik pemadam busur yang digunakan dalam penghancur sirkuit, kita harus mencoba memahami apa itu busur dan teori dasar busur dalam penghancur sirkuit, mari kita diskusikan.

Ionisasi Termal Gas

Ada beberapa elektron bebas dan ion yang hadir dalam gas pada suhu ruangan karena sinar ultraviolet, sinar kosmik, dan radioaktivitas bumi. Elektron bebas dan ion ini sangat sedikit jumlahnya sehingga tidak cukup untuk menopang konduksi listrik. Molekul gas bergerak secara acak pada suhu ruangan. Ditemukan bahwa molekul udara pada suhu 300oK (suhu ruangan) bergerak secara acak dengan kecepatan rata-rata sekitar 500 meter/detik dan bertabrakan dengan molekul lain pada laju 1010 kali/detik.

Molekul yang bergerak secara acak ini bertabrakan satu sama lain dengan sangat sering, tetapi energi kinetik molekul tidak cukup untuk mengekstrak elektron dari atom-atom molekul tersebut. Jika suhu ditingkatkan, udara akan dipanaskan dan akibatnya kecepatan molekul akan meningkat. Kecepatan yang lebih tinggi berarti dampak yang lebih besar selama tabrakan antar molekul. Dalam situasi ini, beberapa molekul terurai menjadi atom. Jika suhu udara ditingkatkan lebih lanjut, banyak atom kehilangan elektron valensinya dan membuat gas menjadi terionisasi. Kemudian, gas yang terionisasi ini dapat menghantarkan listrik karena adanya elektron bebas yang cukup. Kondisi ini dari gas atau udara disebut plasma. Fenomena ini disebut ionisasi termal gas.

Ionisasi karena Tabrakan Elektron

Seperti yang telah dibahas, selalu ada beberapa elektron bebas dan ion yang hadir dalam udara atau gas, tetapi mereka tidak cukup untuk menghantarkan listrik. Setiap kali elektron bebas ini melewati medan listrik yang kuat, mereka diarahkan ke titik potensial yang lebih tinggi dalam medan tersebut dan mendapatkan kecepatan yang cukup tinggi. Dengan kata lain, elektron dipercepat sepanjang arah medan listrik karena gradien potensial yang tinggi. Selama perjalanan mereka, elektron-elektron ini bertabrakan dengan atom dan molekul lain dari udara atau gas dan mengekstrak elektron valensi dari orbit mereka.

Setelah diekstraksi dari atom induk, elektron-elektron ini juga akan bergerak sepanjang arah medan listrik yang sama karena gradien potensial. Elektron-elektron ini akan bertabrakan dengan atom lain dan menciptakan lebih banyak elektron bebas yang juga akan diarahkan sepanjang medan listrik. Akibat tindakan konjugatif ini, jumlah elektron bebas dalam gas akan menjadi sangat tinggi sehingga gas mulai menghantarkan listrik. Fenomena ini dikenal sebagai ionisasi gas karena tabrakan elektron.

Deionisasi Gas

Jika semua penyebab ionisasi gas dihilangkan dari gas yang terionisasi, gas tersebut kembali dengan cepat ke keadaan netralnya melalui rekombinasi muatan positif dan negatif. Proses rekombinasi muatan positif dan negatif ini dikenal sebagai proses deionisasi. Dalam deionisasi melalui difusi, ion negatif atau elektron dan ion positif bergerak ke dinding di bawah pengaruh gradien konsentrasi dan dengan demikian menyelesaikan proses rekombinasi.

Peran Busur dalam Penghancur Sirkuit

Ketika dua kontak arus baru saja terbuka, busur menjembatani celah kontak melalui mana arus mendapatkan jalur resistansi rendah untuk mengalir sehingga tidak akan ada gangguan tiba-tiba arus. Karena tidak ada perubahan tiba-tiba dan mendadak dalam arus selama pembukaan kontak, tidak akan ada tegangan beralih abnormal dalam sistem. Jika i adalah arus yang mengalir melalui kontak tepat sebelum mereka terbuka, L adalah induktansi sistem, tegangan beralih selama pembukaan kontak, dapat dinyatakan sebagai V = L.(di/dt) di mana di/dt laju perubahan arus terhadap waktu selama pembukaan kontak. Dalam kasus arus bolak-balik, busur padam sementara pada setiap nol arus. Setelah melewati setiap nol arus, media antara kontak yang terpisah menjadi terionisasi kembali selama siklus arus berikutnya dan busur dalam penghancur sirkuit dibentuk kembali. Untuk membuat interupsi lengkap dan berhasil, re-ionisasi ini di antara kontak yang terpisah harus dicegah setelah nol arus.

Jika busur dalam penghancur sirkuit tidak ada selama pembukaan kontak penghantar arus, akan ada gangguan tiba-tiba dan mendadak arus yang akan menyebabkan tegangan beralih yang sangat besar cukup untuk merusak isolasi sistem. Di sisi lain, busur memberikan transisi bertahap tetapi cepat, dari kondisi penghantar arus ke kondisi penghancuran arus kontak.

Teori Pemutusan Busur atau Pemadam Busur atau Pemadam Busur

Karakteristik Kolom Busur

Pada suhu tinggi, partikel bermuatan dalam gas bergerak dengan cepat dan acak, tetapi tanpa medan listrik, tidak ada gerakan bersih yang terjadi. Setiap kali medan listrik diterapkan pada gas, partikel bermuatan mendapatkan kecepatan drift yang ditambahkan pada gerakan termal acak mereka. Kecepatan drift proporsional dengan gradien tegangan medan dan mobilitas partikel. Mobilitas partikel tergantung pada massa partikel, partikel yang lebih berat, mobilitasnya lebih rendah. Mobilitas juga tergantung pada jarak bebas rata-rata yang tersedia dalam gas untuk gerakan acak partikel. Setiap kali partikel bertabrakan, ia kehilangan kecepatan arahnya dan harus dipercepat kembali dalam arah medan listrik. Oleh karena itu, mobilitas bersih partikel berkurang. Jika gas berada dalam tekanan tinggi, gas menjadi lebih padat dan oleh karena itu, molekul gas berdekatan, sehingga tabrakan terjadi lebih sering yang menurunkan mobilitas partikel. Arus total oleh partikel bermuatan langsung proporsional dengan mobilitas mereka. Oleh karena itu, mobilitas partikel bermuatan tergantung pada suhu, tekanan gas, serta sifat gas. Lagi pula, mobilitas partikel gas menentukan derajat ionisasi gas.

Jadi dari penjelasan di atas, kita dapat mengatakan bahwa proses ionisasi gas tergantung pada sifat gas (partikel gas yang lebih berat atau lebih ringan), tekanan gas, dan suhu gas. Seperti yang kami katakan sebelumnya, intensitas kolom busur tergantung pada keberadaan media terionisasi antara kontak listrik yang terpisah, oleh karena itu, perhatian khusus harus diberikan untuk mengurangi ionisasi atau meningkatkan deionisasi media antara kontak. Itulah sebabnya fitur desain utama penghancur sirkuit adalah untuk menyediakan metode kontrol tekanan yang berbeda, metode pendinginan untuk media busur yang berbeda di antara kontak penghancur sirkuit.

Hilang Panas dari Busur

Hilang panas dari busur dalam penghancur sirkuit terjadi melalui konduksi, konveksi, serta radiasi. Dalam penghancur sirkuit dengan busur putus dalam minyak, busur dalam chutes atau slot sempit, hampir semua hilang panas disebabkan oleh konduksi. Dalam penghancur sirkuit semburan udara atau dalam penghancur di mana aliran gas ada antara kontak listrik, hilang panas plasma busur terjadi karena proses konveksi. Pada tekanan normal, radiasi bukan faktor signifikan, tetapi pada tekanan yang lebih tinggi, radiasi dapat menjadi faktor penting dalam dispersi panas dari plasma busur. Selama pembukaan kontak listrik, busur dalam penghancur sirkuit diproduksi dan dipadamkan pada setiap nol lintasan arus dan kemudian dibentuk kembali selama siklus berikutnya. Pemadam busur akhir atau pemadam busur dalam penghancur sirkuit dicapai dengan peningkatan cepat kekuatan dielektrik dalam media antara kontak sehingga pembentukan ulang busur setelah nol lintasan tidak mungkin. Peningkatan cepat kekuatan dielektrik antara kontak penghancur sirkuit dicapai baik dengan deionisasi gas dalam media busur atau dengan mengganti gas terionisasi dengan gas dingin dan segar.
Ada berbagai proses deionisasi yang diterapkan untuk pemadam busur dalam penghancur sirkuit, mari kita bahas singkat.

Deionisasi Gas karena Peningkatan Tekanan

Jika tekanan jalur busur meningkat, kepadatan gas terionisasi meningkat, yang berarti, partikel dalam gas berdekatan satu sama lain dan akibatnya, jarak bebas rata-rata partikel berkurang. Ini meningkatkan laju tabrakan dan seperti yang telah kita bahas sebelumnya, pada setiap tabrakan partikel bermuatan kehilangan kecepatan arah mereka sepanjang medan listrik dan kembali dipercepat menuju medan. Bisa dikatakan bahwa mobilitas keseluruhan partikel bermuatan berkurang sehingga tegangan yang diperlukan untuk mempertahankan busur meningkat. Efek lain dari peningkatan kepadatan partikel adalah laju deionisasi gas yang lebih tinggi karena rekombinasi partikel bermuatan berlawanan.

Deionisasi Gas karena Penurunan Suhu

Laju ionisasi gas tergantung pada intensitas dampak selama tabrakan partikel gas. Intensitas dampak selama tabrakan partikel lagi-lagi tergantung pada kecepatan gerakan acak partikel. Gerakan acak partikel dan kecepatannya meningkat seiring dengan peningkatan suhu gas. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa jika suhu gas ditingkatkan, proses ionisasi gas meningkat dan pernyataan sebaliknya juga benar, yaitu jika suhu menurun, laju ionisasi gas menurun yang berarti deionisasi gas meningkat. Oleh karena itu, lebih banyak tegangan diperlukan untuk mempertahankan plasma busur dengan suhu yang menurun. Akhirnya, dapat dikatakan bahwa pendinginan efektif meningkatkan resistansi