아크란 무엇인가? | 회로 차단기의 아크

아크 제거 또는 아크 소멸 기술에 대해 자세히 알아보기 전에 먼저 아크가 실제로 무엇인지 알아야 합니다.

아크란 무엇인가?

회로 차단기에서 전류를 흐르게 하는 접점이 열릴 때 접점 사이의 매질이 고도로 이온화되며, 이를 통해 중단되는 전류가 저저항 경로를 가지게 됩니다. 접점이 물리적으로 분리되어도 이 경로를 통해 전류가 계속 흐릅니다. 한 접점에서 다른 접점으로 전류가 흐르면서 경로가 매우 뜨거워져 발광합니다. 이를 아크라고 합니다.

회로 차단기에서의 아크

부하 전류를 흐르게 하는 회로 차단기의 접점이 열릴 때마다 접점 사이에 회로 차단기의 아크가 형성됩니다.

접점 사이에 아크가 지속되는 동안 회로 차단기를 통한 전류는 결국 중단되지 않습니다. 아크 자체가 전기의 도전 경로이기 때문입니다. 전류를 완전히 중단하려면 가능한 한 빠르게 아크를 제거해야 합니다. 회로 차단기의 주요 설계 기준은 빠르고 안전한 전류 중단을 위해 적절한 아크 제거 기술을 제공하는 것입니다. 따라서 회로 차단기에 사용되는 다양한 아크 제거 기술을 살펴보기 전에 아크와 회로 차단기의 아크에 대한 기본 이론을 이해해 보겠습니다.

가스의 열 이온화

실온에서 가스에는 자외선, 우주선 및 지구의 방사능으로 인해 자유 전자와 이온이 존재합니다. 이러한 자유 전자와 이온은 너무 적어 전기 전도를 유지하기에는 부족합니다. 가스 분자는 실온에서 임의로 움직입니다. 실온(300oK)에서 공기 분자는 약 500m/s의 평균 속도로 임의로 움직이며, 1초당 1010번 정도 충돌합니다.

이러한 임의로 움직이는 분자는 매우 자주 충돌하지만, 분자의 운동 에너지는 원자로부터 전자를 추출할 만큼 충분하지 않습니다. 온도가 상승하면 공기가 가열되고 결과적으로 분자의 속도가 증가합니다. 더 높은 속도는 분자 간 충돌 시 더 큰 충격을 의미하며, 이때 일부 분자는 원자로 분리됩니다. 온도가 더 상승하면 많은 원자가 바깥쪽 전자를 잃고 가스가 이온화됩니다. 그러면 이 이온화된 가스는 충분한 자유 전자를 가지고 전기를 전도할 수 있습니다. 이러한 상태를 플라즈마라고 하며, 이 현상을 가스의 열 이온화라고 합니다.

전자 충돌에 의한 이온화

공기나 가스에는 항상 일부 자유 전자와 이온이 존재하지만, 이들은 전기 전도를 유지하기에는 부족합니다. 이러한 자유 전자가 강한 전기장을 마주치면, 이들은 전기장의 높은 전위 점으로 이동하고 충분히 높은 속도를 얻습니다. 즉, 전자들은 전기장의 높은 전위 기울기 때문에 그 방향으로 가속됩니다. 이동 중에 이러한 전자들은 공기나 가스의 다른 원자와 분자와 충돌하여 원자 궤도에서 외부 전자를 추출합니다.

원자에서 분리된 후, 전자들은 전기장의 방향으로 계속 이동하며, 전위 기울기 때문에 같은 전기장 방향으로 이동합니다. 이러한 전자들은 다시 다른 원자와 충돌하여 더 많은 자유 전자를 생성하며, 이들 역시 전기장의 방향으로 이동하게 됩니다. 이러한 연쇄 작용으로 가스 내의 자유 전자의 수가 많아져 가스가 전기를 전도하기 시작합니다. 이 현상을 전자 충돌에 의한 가스의 이온화라고 합니다.

가스의 탈이온화

이온화된 가스에서 가스의 이온화 원인이 제거되면, 가스는 양성자와 음성자 사이의 재결합을 통해 신속하게 중성 상태로 돌아갑니다. 이 양성자와 음성자 사이의 재결합 과정을 탈이온화 과정이라고 합니다. 탈이온화에서 확산은 음이온이나 전자와 양이온이 농도 기울기의 영향으로 벽으로 이동하여 재결합 과정을 완료합니다.

회로 차단기에서의 아크 역할

두 개의 전류 접점이 처음 열릴 때 아크가 접점 간격을 연결하여 전류가 저저항 경로를 통해 흐르게 합니다. 따라서 전류의 갑작스러운 중단이 없습니다. 접점이 열릴 때 전류에 갑작스럽고 급격한 변화가 없으므로, 시스템에서 비정상적인 전환 전압이 발생하지 않습니다. 접점이 열리기 직전에 흐르는 전류가 i이고, 시스템의 인덕턴스가 L이라면, 접점이 열릴 때의 전환 전압은 V = L.(di/dt)로 표현할 수 있습니다. 여기서 di/dt는 접점이 열릴 때 시간에 따른 전류 변화율입니다. 교류의 경우 아크는 각 전류 제로점에서 일시적으로 소멸됩니다. 다음 주기의 전류 동안 분리된 접점 사이의 매질이 다시 이온화되고, 회로 차단기의 아크가 재설정됩니다. 완전하고 성공적인 중단을 위해서는 현재 제로점 이후에 분리된 접점 사이의 재이온화를 방지해야 합니다.

회로 차단기에서 접점이 열릴 때 아크가 없으면, 전류의 갑작스럽고 급격한 중단이 발생하여 시스템의 절연을 심각하게 스트레스를 받게 하는 거대한 전환 전압이 발생합니다. 반면 아크는 접점이 전류를 흐르게 하고, 전류를 중단하는 상태로 점진적이지만 빠른 전환을 제공합니다.

아크 중단 또는 아크 제거 또는 아크 소멸 이론

아크 열기 특성

고온에서 가스의 전하 입자는 빠르고 임의로 움직이지만, 전기장이 없으면 순수한 운동은 발생하지 않습니다. 가스에 전기장이 적용되면, 전하 입자는 전기장의 전압 기울기에 따라 드립트 속도를 얻게 됩니다. 드립트 속도는 전기장의 전압 기울기와 입자의 이동성에 비례합니다. 입자의 이동성은 입자의 질량에 따라 달라지며, 더 무거운 입자는 이동성이 낮습니다. 이동성은 가스에서 입자가 임의로 움직일 수 있는 평균 자유 경로에도 영향을 받습니다. 입자가 충돌할 때마다 방향 속도를 잃고, 다시 전기장의 방향으로 가속됩니다. 따라서 입자의 순수 이동성은 감소합니다. 가스의 압력이 높으면, 가스는 더 밀도가 높아지고, 가스 분자가 서로 더 가까워져 충돌이 더 자주 발생하여 입자의 이동성을 낮춥니다. 전하 입자에 의한 총 전류는 입자의 이동성에 직접적으로 비례합니다. 따라서 입자의 이동성은 가스의 온도, 압력 및 가스의 종류에 따라 달라집니다. 또한 가스 입자의 이동성은 가스의 이온화 정도를 결정합니다.

따라서 위의 설명에서 가스의 이온화 과정은 가스의 종류(더 무거운 또는 더 가벼운 가스 입자), 가스의 압력 및 가스의 온도에 따라 달라진다고 할 수 있습니다. 앞서 언급했듯이 아크 열기의 강도는 분리된 전기 접점 사이의 이온화된 매질의 존재에 따라 달라지므로, 접점 사이의 매질의 이온화를 줄이거나 탈이온화를 증가시키는 것에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 이것이 회로 차단기의 주요 설계 특징이 다양한 압력 제어 방법과 다양한 아크 매질에 대한 냉각 방법을 제공하는 이유입니다.

아크로부터의 열 손실

회로 차단기에서의 아크의 열 손실은 전도, 대류 및 복사를 통해 발생합니다. 오일에서의 평범한 아크, 슬롯이나 좁은 홈에서의 아크에서는 대부분의 열 손실이 전도를 통해 발생합니다. 공기 분사 회로 차단기 또는 접점 사이에 가스 흐름이 있는 회로 차단기에서는 아크 플라즈마의 열 손실이 대류 과정을 통해 발생합니다. 정상 압력에서는 복사는 중요한 요소가 아니지만, 고압에서는 복사가 아크 플라즈마의 열 방출의 중요한 요소가 될 수 있습니다. 접점이 열릴 때, 아크가 생성되고 각 전류 제로점에서 소멸되며, 다음 주기에서 다시 재설정됩니다. 최종 아크 소멸 또는 아크 제거는 접점 사이의 매질의 유전강도가 급격히 증가하여 전류 제로점 이후 아크의 재설정이 불가능하도록 함으로써 이루어집니다. 접점 사이의 유전강도의 급격한 증가는 아크 매질의 가스 탈이온화 또는 이온화된 가스를 냉각된 신선한 가스로 교체함으로써 이루어집니다.
회로 차단기에서 아크 소멸을 위한 다양한 탈이온화 과정이 있으며, 간략히 살펴보겠습니다.

압력 증가에 따른 가스의 탈이온화

아크 경로의 압력이 증가하면, 이온화된 가스의 밀도가 증가합니다. 이는 가스의 입자가 서로 더 가까워져 평균 자유 경로가 감소한다는 것을 의미합니다. 이는 충돌률을 증가시키고, 앞서 논의한 바와 같이 각 충돌 시 전하 입자는 전기장 방향으로의 방향 속도를 잃고 다시 전기장의 방향으로 가속됩니다. 전체적으로 전하 입자의 이동성이 감소하므로 아크를 유지하기 위한 전압이 증가합니다. 입자 밀도가 증가한 또 다른 효과는 대칭 전하 입자의 재결합으로 인한 가스의 탈이온화 비율이 증가하는 것입니다.

온도 감소에 따른 가스의 탈이온화

가스의 이온화 비율은 가스 입자 충돌 시의 충격 강도에 따라 달라집니다. 충돌 시의 충격 강도는 입자의 임의 운동 속도에 따라 달라집니다. 이 임의 운동 속도는 가스의 온도가 증가할수록 증가합니다. 따라서 가스의 온도가 상승하면, 이온화 과정이 증가하고, 반대로 온도가 감소하면 이온화 비율이 감소하여 탈이온화가 증가합니다. 따라서 온도가 감소하면 아크 플라즈마를 유지하기 위한 전압이 증가합니다. 결국, 냉각은 아크의 저항을 효과적으로 증가시킵니다.
다양한 회로 차단기 유형은 다양한 냉각 기법을 사용하며, 이는 나중에 회로 차단기 코스에서 논의하겠습니다.

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