アークとは何か？ | 回路遮断器におけるアーク

アーキュエンチングまたはアーキクエンチング技術について詳しく説明する前に、まず回路遮断器で実際に何がアーカーであるかを理解する必要があります。

アーカーとは

回路遮断器の接触点が開く際に、開いた接触点間の媒体が高度にイオン化され、切断電流が低抵抗の経路を得て、物理的に分離された後もこの経路を通って流れ続けます。電流が一方の接触点から他方の接触点へと流れる際、その経路は非常に熱されて輝きます。これがアーカーと呼ばれます。

回路遮断器におけるアーカー

負荷電流を持つ接触点が開くと、回路遮断器のアーカーが分離した接触点間に形成されます。

アーカーが接触点間に持続している限り、最終的には回路遮断器を通る電流は中断されません。なぜならアーカー自体が電気の導通経路だからです。電流の完全な中断には、できるだけ早くアーカーを消去することが必要です。回路遮断器の主要な設計基準は、迅速かつ安全な電流の中断を実現するための適切なアーキュエンチング技術を提供することです。そこで、異なるアーキュエンチング技術を詳しく見る前に、アーカーと回路遮断器のアーカーの基本理論を理解しようと思います。

ガスの熱イオン化

室温下でも、紫外線、宇宙線、地球の放射性により、ガス中に自由電子とイオンが存在します。これらの自由電子とイオンは非常に少ないため、電気伝導を維持するには不十分です。ガス分子は室温下でランダムに動いており、300K（室温）では約500メートル/秒の平均速度で動き、1秒間に1010回の衝突が起こります。

これらのランダムに動く分子は頻繁に衝突しますが、分子の運動エネルギーは原子の電子を引き出すのに十分ではありません。温度が上昇すると、空気が加熱され、分子の速度が増加します。これにより、分子間の衝突時の衝撃が大きくなり、一部の分子が原子に分解されます。さらに温度が上昇すると、多くの原子が価電子を失い、ガスがイオン化されます。イオン化されたガスは十分な自由電子を持つため、電気を伝導することができます。この状態はプラズマと呼ばれ、この現象はガスの熱イオン化と呼ばれます。

電子衝突によるイオン化

常にいくつかの自由電子とイオンが空気やガス中に存在していますが、それらは電気伝導を維持するには不十分です。これらの自由電子が強い電界に遭遇すると、高電位点に向かって移動し、十分な速度を得ます。つまり、電子は電界の方向に加速され、その過程で他の原子や分子と衝突して軌道からの価電子を引き出します。

親原子から引き出された後、電子は同じ電界の方向に進み、他の原子と衝突してさらに自由電子を作り出します。これらも電界の方向に導かれます。このような連鎖的な作用により、ガス中の自由電子の数が増加し、ガスが電気を伝導するようになります。この現象は電子衝突によるガスのイオン化と呼ばれます。

ガスの脱イオン化

イオン化されたガスからすべてのイオン化原因を取り除くと、正と負の電荷が再結合することで急速に中性状態に戻ります。この正と負の電荷の再結合過程は脱イオン化過程と呼ばれます。拡散による脱イオン化では、負のイオンまたは電子と正のイオンが濃度勾配の影響で壁に向かって移動し、再結合過程を完了します。

回路遮断器におけるアーカーの役割

二つの電流接触点が開く直後に、アーカーが接触ギャップを橋渡しし、電流が低抵抗の経路を通って流れます。そのため、電流の突然の中断はありません。接触点の開閉時に電流に突然の変化がないため、システム内での異常な切り替え電圧が発生しません。接触点が開く直前の電流をi、システムのインダクタンスをLとした場合、接触点の開閉時の切り替え電圧はV = L.(di/dt)で表されます。ここでdi/dtは時間に対する電流の変化率です。交流の場合、アーカーは各電流ゼロクロスで一時的に消えますが、次の周期で再び接触点間の媒体がイオン化され、回路遮断器のアーカーが再び形成されます。完全かつ成功裏な中断を達成するためには、電流ゼロクロス後の接触点間の再イオン化を防ぐ必要があります。

回路遮断器の接触点が開く際にアーカーが存在しない場合、電流の突然の中断が発生し、システムの絶縁を重度にストレスを与える十分な切り替え電圧が発生します。一方、アーカーは電流を徐々にだが迅速に、接触点の電流伝導状態から電流遮断状態へと遷移させる役割を果たします。

アーカー遮断またはアーキュエンチングまたはアーキクエンチング理論

アーカー列特性

高温下では、ガス中の帯電粒子はランダムに高速に動きますが、電界が存在しない場合、全体としての運動は発生しません。ガスに電界が適用されると、帯電粒子は電界の方向に漂移速度を得ます。この漂移速度は電界の電圧勾配と粒子の移動性に比例します。粒子の移動性は粒子の質量に依存し、質量が大きいほど移動性は低くなります。また、粒子がランダムに動ける平均自由行程にも依存します。粒子が衝突するたびに、その方向速度を失い、再度電界の方向に加速される必要があります。したがって、粒子の総移動性は低下します。ガスの圧力が高い場合、ガスは密になり、分子が近づくため、衝突がより頻繁に起こり、粒子の移動性は低下します。帯電粒子による総電流は粒子の移動性に直接比例します。したがって、粒子の移動性はガスの温度、圧力、およびガスの種類によって決まります。また、ガス粒子の移動性はガスのイオン化度を決定します。

したがって、ガスのイオン化過程はガスの種類（重い粒子か軽い粒子か）、ガスの圧力、およびガスの温度に依存します。以前述べたように、アーカー列の強度は分離された電気接触点間のイオン化媒体の存在に依存するため、接触点間のイオン化の減少または脱イオン化の増加に特別な注意を払う必要があります。これが回路遮断器の主要な設計特徴であり、異なる圧力制御方法、冷却方法を用いて、回路遮断器の接触点間のさまざまなアーカー媒体に対応しています。

アーカーからの熱損失

回路遮断器のアーカーからの熱損失は、伝導、対流、そして放射によって行われます。オイル中の平滑ブレイクアーカー、またはチャネルまたは狭いスロット内のアーカーでは、ほぼすべての熱損失が伝導によるものです。エアブラスト回路遮断器または電気接触点間にガスフローが存在する遮断器では、アーカープラズマの熱損失は対流プロセスによるものです。通常の圧力では放射は重要な要素ではありませんが、高い圧力では放射がアーカープラズマからの熱放出の重要な要素となることがあります。電気接触点が開く際にアーカーが生成され、各電流ゼロクロスで消滅し、次の周期で再び形成されます。最終的なアーカーの消滅またはアーキュエンチングは、接触点間の媒体の絶縁強度を急速に増加させることで達成され、ゼロクロス後のアーカーの再形成が不可能になるようにします。この接触点間の絶縁強度の急速な増加は、アーカーメディアのガスの脱イオン化またはイオン化されたガスを冷たい新鮮なガスに置き換えることで達成されます。
回路遮断器のアーカー消滅のために使用される様々な脱イオン化プロセスについて簡単に説明します。

圧力増加によるガスの脱イオン化

アーカー経路の圧力が増加すると、イオン化されたガスの密度が増加し、粒子が互いに近づくため、粒子の平均自由行程が短くなります。これにより衝突率が増加し、先に述べたように、各衝突で帯電粒子は電界の方向の速度を失い、再度電界の方向に加速されます。つまり、帯電粒子の全体的な移動性が低下し、アーカーを維持するために必要な電圧が増加します。粒子の密度が増加する別の効果として、反対の電荷を持つ粒子の再結合によるガスの脱イオン化率が高まります。

温度低下によるガスの脱イオン化

ガスのイオン化率は、ガス粒子の衝突時の衝撃の強さに依存します。粒子の衝突時の衝撃の強さは粒子のランダムな運動の速度に依存します。このランダムな運動と粒子の速度はガスの温度が上昇すると増加します。したがって、ガスの温度が上昇すると、そのイオン化過程が増加し、逆のことが言えるのは、温度が低下するとガスのイオン化率が低下し、つまり脱イオン化が増加することです。したがって、温度が低下するとアーカープラズマを維持するために必要な電圧が増加します。結論として、冷却はアーカーの抵抗を効果的に増加させます。
異なる回路遮断器の種類は異なる冷却技術を採用しており、これは回路遮断器の講義の中で後述します。

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