Cosa è un Arco? | Arco nel Disgiuntore

Prima di approfondire i dettagli delle tecnologie di spegnimento dell'arco o estinzione dell'arco utilizzate nei disgiuntori, dobbiamo prima sapere cos'è un arco effettivamente.

Cos'è un arco?

Durante l'apertura dei contatti portatori di corrente in un disgiuntore, il mezzo tra i contatti in apertura diventa fortemente ionizzato, attraverso cui la corrente di interruzione trova un percorso a bassa resistenza e continua a fluire lungo questo percorso anche se i contatti sono fisicamente separati. Durante il flusso della corrente da un contatto all'altro, il percorso diventa così caldo da brillare. Questo è chiamato arco.

Arco nel disgiuntore

Ogni volta che i contatti del disgiuntore si aprono con una corrente, si stabilisce un arco nel disgiuntore tra i contatti in separazione.

Finché questo arco persiste tra i contatti, la corrente attraverso il disgiuntore non sarà interrotta definitivamente, poiché l'arco stesso è un percorso conduttivo di elettricità. Per l'interruzione totale della corrente, è essenziale spegnere l'arco il più rapidamente possibile. Il criterio principale di progettazione di un disgiuntore è fornire la tecnologia appropriata di spegnimento dell'arco nel disgiuntore per garantire un'interruzione rapida e sicura della corrente. Quindi, prima di esaminare diverse tecniche di spegnimento dell'arco utilizzate nei disgiuntori, cerchiamo di capire cos'è un arco e la teoria di base dell'arco nel disgiuntore, discutiamone.

Ionizzazione termica del gas

Ci sono numerose particelle libere di elettroni e ioni presenti in un gas a temperatura ambiente a causa dei raggi ultravioletti, dei raggi cosmici e della radioattività della terra. Questi elettroni e ioni liberi sono così pochi in numero che sono insufficienti a sostenere la conduzione dell'elettricità. Le molecole del gas si muovono in modo casuale a temperatura ambiente. Si è scoperto che una molecola d'aria a una temperatura di 300oK (temperatura ambiente) si muove casualmente con una velocità media approssimativa di 500 metri/secondo e collide con altre molecole ad un tasso di 1010 volte/secondo.

Queste molecole che si muovono in modo casuale collidono tra loro molto frequentemente, ma l'energia cinetica delle molecole non è sufficiente per estrarre un elettrone dagli atomi delle molecole. Se la temperatura aumenta, l'aria si scalda e, di conseguenza, la velocità delle molecole aumenta. Una maggiore velocità significa un impatto maggiore durante le collisioni intermolecolari. In questa situazione, alcune delle molecole si dissociano in atomi. Se la temperatura dell'aria aumenta ulteriormente, molti atomi vengono privati di elettroni di valenza e rendono il gas ionizzato. Allora questo gas ionizzato può condurre l'elettricità a causa di elettroni liberi sufficienti. Questa condizione di qualsiasi gas o aria è chiamata plasma. Questo fenomeno è chiamato ionizzazione termica del gas.

Ionizzazione dovuta alla collisione degli elettroni

Come abbiamo discusso, ci sono sempre alcuni elettroni e ioni liberi presenti nell'aria o nel gas, ma sono insufficienti per condurre l'elettricità. Ogni volta che questi elettroni liberi si trovano in un forte campo elettrico, vengono diretti verso i punti di potenziale più elevato nel campo e acquisiscono una velocità sufficientemente alta. In altre parole, gli elettroni sono accelerati lungo la direzione del campo elettrico a causa del gradiente di potenziale elevato. Durante il loro viaggio, questi elettroni collidono con altri atomi e molecole dell'aria o del gas ed estraggono elettroni di valenza dalle loro orbite.

Dopo essere stati estratti dagli atomi genitori, gli elettroni si muoveranno anche lungo la direzione dello stesso campo elettrico a causa del gradiente di potenziale. Questi elettroni collideranno similemente con altri atomi e creeranno più elettroni liberi che saranno diretti lungo il campo elettrico. A causa di questa azione congiunta, il numero di elettroni liberi nel gas diventerà così alto che il gas inizierà a condurre l'elettricità. Questo fenomeno è noto come ionizzazione del gas dovuta alla collisione degli elettroni.

Deionizzazione del gas

Se tutte le cause di ionizzazione del gas vengono rimosse da un gas ionizzato, esso torna rapidamente al suo stato neutrale attraverso la ricombinazione delle cariche positive e negative. Il processo di ricombinazione delle cariche positive e negative è noto come processo di deionizzazione. Nella deionizzazione per diffusione, gli ioni negativi o elettroni e gli ioni positivi si muovono verso le pareti sotto l'influenza dei gradienti di concentrazione, completando così il processo di ricombinazione.

Ruolo dell'arco nel disgiuntore

Quando due contatti portatori di corrente si aprono, un arco collega la fessura tra i contatti, attraverso cui la corrente ottiene un percorso a bassa resistenza per fluire, quindi non ci sarà alcuna interruzione improvvisa della corrente. Poiché non c'è un cambiamento repentino e brusco nella corrente durante l'apertura dei contatti, non ci sarà alcuna tensione di commutazione anormale nel sistema. Se i è la corrente che scorre attraverso i contatti subito prima che si aprano, L è l'induttanza del sistema, la tensione di commutazione durante l'apertura dei contatti, può essere espressa come V = L.(di/dt) dove di/dt è il tasso di variazione della corrente rispetto al tempo durante l'apertura dei contatti. Nel caso della corrente alternata, l'arco viene temporaneamente estinto a ogni zero della corrente. Dopo aver superato ogni zero di corrente, il mezzo tra i contatti separati si ri-ionizza nuovamente durante il ciclo successivo di corrente e l'arco nel disgiuntore viene ristabilito. Per rendere l'interruzione completa e riuscita, questa ri-ionizzazione tra i contatti separati deve essere prevenuta dopo un zero di corrente.

Se l'arco nel disgiuntore fosse assente durante l'apertura dei contatti portatori di corrente, ci sarebbe un'interruzione improvvisa e brusca della corrente, che causerà una tensione di commutazione enorme sufficiente a stressare gravemente l'isolamento del sistema. D'altra parte, l'arco fornisce una transizione graduale ma rapida, dallo stato di trasporto di corrente allo stato di interruzione della corrente dei contatti.

Teoria dell'interruzione, spegnimento o estinzione dell'arco

Caratteristiche della colonna dell'arco

A temperature elevate, le particelle cariche in un gas si muovono rapidamente e in modo casuale, ma in assenza di un campo elettrico, non si verifica alcun movimento netto. Ogni volta che un campo elettrico viene applicato nel gas, le particelle cariche acquisiscono una velocità di deriva sovrapposta al loro movimento termico casuale. La velocità di deriva è proporzionale al gradiente di tensione del campo e alla mobilità delle particelle. La mobilità dipende dalla massa della particella, le particelle più pesanti hanno una mobilità inferiore. La mobilità dipende anche dai percorsi liberi medi disponibili nel gas per il movimento casuale delle particelle. Ogni volta che una particella collide, perde la sua velocità diretta e deve essere riaccelerata nella direzione del campo elettrico. Pertanto, la mobilità netta delle particelle è ridotta. Se il gas è a pressione elevata, diventa più denso e, di conseguenza, le molecole del gas si avvicinano l'una all'altra, quindi le collisioni avvengono più frequentemente, riducendo la mobilità delle particelle. La corrente totale generata dalle particelle cariche è direttamente proporzionale alla loro mobilità. Pertanto, la mobilità delle particelle cariche dipende dalla temperatura, dalla pressione del gas e anche dalla natura del gas. Ancora, la mobilità delle particelle del gas determina il grado di ionizzazione del gas.

Quindi, da quanto sopra spiegato, possiamo dire che il processo di ionizzazione del gas dipende dalla natura del gas (particelle di gas più pesanti o leggere), dalla pressione del gas e dalla temperatura del gas. Come abbiamo detto prima, l'intensità della colonna dell'arco dipende dalla presenza di un mezzo ionizzato tra i contatti elettrici separati, pertanto, si deve prestare particolare attenzione nella riduzione dell'ionizzazione o nell'aumento della deionizzazione del mezzo tra i contatti. È per questo motivo che la caratteristica principale di progettazione del disgiuntore è fornire diversi metodi di controllo della pressione, metodi di raffreddamento per diversi mezzi di arco tra i contatti del disgiuntore.

Perdita di calore da un arco

La perdita di calore da un arco nel disgiuntore avviene attraverso conduzione, convezione e radiazione. Nei disgiuntori con interruzione semplice ad arco in olio, arco in canali o fessure strette, quasi tutta la perdita di calore avviene per conduzione. Nei disgiuntori ad aria compressa o in disgiuntori dove c'è un flusso di gas tra i contatti elettrici, la perdita di calore del plasma dell'arco avviene per processo di convezione. A pressione normale, la radiazione non è un fattore significativo, ma a pressione elevata, la radiazione può diventare un fattore molto importante per la dissipazione di calore dal plasma dell'arco. Durante l'apertura dei contatti elettrici, l'arco nel disgiuntore viene prodotto ed estinto a ogni passaggio per zero della corrente, e poi viene nuovamente ristabilito durante il ciclo successivo. L'estinzione finale o lo spegnimento dell'arco nel disgiuntore viene ottenuto mediante un aumento rapido della resistenza dielettrica nel mezzo tra i contatti in modo che il ristabilimento dell'arco dopo il passaggio per zero non sia possibile. Questo aumento rapido della resistenza dielettrica tra i contatti del disgiuntore viene ottenuto o tramite la deionizzazione del gas nel mezzo dell'arco o sostituendo il gas ionizzato con gas fresco e freddo.
Esistono vari processi di deionizzazione applicati per l'estinzione dell'arco nel disgiuntore, ne discuteremo brevemente.

Deionizzazione del gas a causa dell'aumento della pressione

Se la pressione del percorso dell'arco aumenta, la densità del gas ionizzato aumenta, il che significa che le particelle nel gas si avvicinano l'una all'altra e, di conseguenza, il percorso libero medio delle particelle si riduce. Ciò aumenta la frequenza delle collisioni e, come abbiamo discusso in precedenza, ad ogni collisione, le particelle cariche perdono la loro velocità diretta lungo il campo elettrico e vengono nuovamente accelerate verso il campo. Si può dire che la mobilità complessiva delle particelle cariche è ridotta, quindi la tensione necessaria per mantenere l'arco aumenta. Un altro effetto della densità aumentata delle particelle è un tasso più elevato di deionizzazione del gas a causa della ricombinazione delle particelle cariche opposte.

Deionizzazione del gas a causa della diminuzione della temperatura

Il tasso di ionizzazione del gas dipende dall'intensità dell'impatto durante la collisione delle particelle del gas. L'intensità dell'impatto durante la collisione delle particelle dipende dalla velocità dei moti casuali delle particelle. Questo moto casuale di una particella e la sua velocità aumentano con l'aumento della temperatura del gas. Pertanto, si può concludere che se la temperatura di un gas aumenta, il suo processo di ionizzazione aumenta e l'affermazione opposta è vera, ovvero se la temperatura diminuisce, il tasso di ionizzazione del gas diminuisce, il che significa che la deionizzazione del gas aumenta. Quindi, è richiesta una tensione maggiore per mantenere il plasma dell'arco con una temperatura diminuita. Infine, si può dire che il raffreddamento aumenta efficacemente la resistenza dell'arco.
Diversi tipi di disgiuntori utilizzano diverse tecniche di raffreddamento, che discuteremo in seguito nel corso sui disgiuntori.