O que é um Arco? | Arco no Disjuntor

Antes de entrar nos detalhes das tecnologias de extinção do arco ou supressão do arco utilizadas em disjuntores, devemos primeiro entender o que é um arco.

O que é um Arco?

Durante a abertura dos contatos sob carga em um disjuntor, o meio entre os contatos se torna altamente ionizado, fornecendo um caminho de baixa resistência para a corrente interrompida, que continua a fluir por esse caminho mesmo quando os contatos estão fisicamente separados. Durante o fluxo da corrente de um contato para outro, o caminho se aquece tanto que brilha. Isso é chamado de arco.

Arco em Disjuntor

Sempre que os contatos sob carga de um disjuntor se abrem, estabelece-se um arco no disjuntor entre os contatos em separação.

Enquanto este arco for sustentado entre os contatos, a corrente através do disjuntor não será interrompida, pois o arco é, por si só, um caminho condutor de eletricidade. Para a interrupção total da corrente, é essencial extinguir o arco o mais rápido possível. O principal critério de design de um disjuntor é fornecer a tecnologia apropriada de extinção do arco no disjuntor para atender à interrupção rápida e segura da corrente. Portanto, antes de discutir as diferentes técnicas de extinção do arco utilizadas em disjuntores, devemos tentar entender o que é um arco e a teoria básica do arco no disjuntor, vamos discutir.

Ionização Térmica do Gás

Existem vários elétrons livres e íons presentes em um gás à temperatura ambiente devido a raios ultravioleta, raios cósmicos e radioatividade da Terra. Estes elétrons e íons livres são tão poucos que são insuficientes para sustentar a condução de eletricidade. As moléculas de gás se movem aleatoriamente à temperatura ambiente. Foi encontrado que uma molécula de ar a uma temperatura de 300oK (temperatura ambiente) se move aleatoriamente com uma velocidade média aproximada de 500 metros/segundo e colide com outras moléculas a uma taxa de 1010 vezes/segundo.

Estas moléculas em movimento aleatório colidem umas com as outras de maneira muito frequente, mas a energia cinética das moléculas não é suficiente para extrair um elétron dos átomos das moléculas. Se a temperatura for aumentada, o ar será aquecido e, consequentemente, a velocidade das moléculas será aumentada. Uma velocidade maior significa um impacto maior durante a colisão intermolecular. Nessa situação, algumas das moléculas se dissociam em átomos. Se a temperatura do ar for ainda mais aumentada, muitos átomos serão privados de elétrons de valência e o gás se ioniza. Então, este gás ionizado pode conduzir eletricidade devido a elétrons livres suficientes. Esta condição de qualquer gás ou ar é chamada de plasma. Este fenômeno é chamado de ionização térmica do gás.

Ionização devido à Colisão de Elétrons

Como discutimos, sempre existem alguns elétrons e íons livres no ar ou gás, mas são insuficientes para conduzir eletricidade. Sempre que esses elétrons livres encontram um forte campo elétrico, eles são direcionados para pontos de potencial mais alto no campo e adquirem uma velocidade suficientemente alta. Em outras palavras, os elétrons são acelerados ao longo da direção do campo elétrico devido ao gradiente de potencial elevado. Durante sua viagem, esses elétrons colidem com outros átomos e moléculas do ar ou gás e extraem elétrons de valência de suas órbitas.

Após serem extraídos dos átomos pai, os elétrons também se moverão na direção do mesmo campo elétrico devido ao gradiente de potencial. Esses elétrons colidirão de forma semelhante com outros átomos e criarão mais elétrons livres, que também serão direcionados ao longo do campo elétrico. Devido a essa ação conjugada, o número de elétrons livres no gás se tornará tão alto que o gás começará a conduzir eletricidade. Este fenômeno é conhecido como ionização do gás devido à colisão de elétrons.

Desionização do Gás

Se todas as causas de ionização do gás forem removidas de um gás ionizado, ele rapidamente volta ao seu estado neutro pela recombinação das cargas positivas e negativas. O processo de recombinação de cargas positivas e negativas é conhecido como processo de desionização. Na desionização por difusão, os íons negativos ou elétrons e íons positivos se movem para as paredes sob a influência de gradientes de concentração, completando assim o processo de recombinação.

Papel do Arco no Disjuntor

Quando dois contatos sob carga se abrem, um arco ponteia a lacuna entre os contatos, fornecendo um caminho de baixa resistência para a corrente fluir, evitando assim uma interrupção súbita da corrente. Como não há mudança súbita e abrupta na corrente durante a abertura dos contatos, não haverá nenhuma tensão de comutação anormal no sistema. Se i for a corrente que flui pelos contatos logo antes de se abrirem, L for a indutância do sistema, a tensão de comutação durante a abertura dos contatos pode ser expressa como V = L.(di/dt), onde di/dt é a taxa de variação da corrente em relação ao tempo durante a abertura dos contatos. No caso de corrente alternada, o arco é temporariamente extinto em cada zero de corrente. Após cruzar cada zero de corrente, o meio entre os contatos separados se ioniza novamente durante o próximo ciclo de corrente e o arco no disjuntor é reestabelecido. Para fazer a interrupção completa e bem-sucedida, esta re-ionização entre os contatos separados deve ser impedida após um zero de corrente.

Se o arco no disjuntor estiver ausente durante a abertura dos contatos sob carga, haverá uma interrupção súbita e abrupta da corrente, o que causará uma tensão de comutação enorme suficiente para estressar severamente a isolação do sistema. Por outro lado, o arco fornece uma transição gradual, mas rápida, do estado de condução de corrente para o estado de interrupção de corrente dos contatos.

Teoria de Interrupção, Supressão ou Extinção do Arco

Características da Coluna do Arco

Em alta temperatura, as partículas carregadas em um gás se movem rapidamente e aleatoriamente, mas, na ausência de campo elétrico, não ocorre movimento líquido. Sempre que um campo elétrico é aplicado no gás, as partículas carregadas ganham velocidade de deriva superposta ao seu movimento térmico aleatório. A velocidade de deriva é proporcional ao gradiente de tensão do campo e à mobilidade das partículas. A mobilidade depende da massa da partícula, partículas mais pesadas têm menor mobilidade. A mobilidade também depende dos caminhos livres disponíveis no gás para o movimento aleatório das partículas. Cada vez que uma partícula colide, perde sua velocidade direcionada e precisa ser reacelerada na direção do campo elétrico novamente. Portanto, a mobilidade líquida das partículas é reduzida. Se o gás estiver em alta pressão, fica mais denso e, portanto, as moléculas de gás ficam mais próximas umas das outras, resultando em colisões mais frequentes, o que diminui a mobilidade das partículas. A corrente total pelas partículas carregadas é diretamente proporcional à sua mobilidade. Portanto, a mobilidade das partículas carregadas depende da temperatura, da pressão do gás e da natureza do gás. Além disso, a mobilidade das partículas de gás determina o grau de ionização do gás.

Portanto, a partir da explicação acima, podemos dizer que o processo de ionização do gás depende da natureza do gás (partículas de gás mais pesadas ou mais leves), da pressão do gás e da temperatura do gás. Como dissemos anteriormente, a intensidade da coluna do arco depende da presença de meio ionizado entre os contatos elétricos separados, portanto, deve-se prestar atenção especial na redução da ionização ou no aumento da desionização do meio entre os contatos. É por isso que o principal recurso de design de um disjuntor é fornecer diferentes métodos de controle de pressão, métodos de resfriamento para diferentes meios de arco entre os contatos do disjuntor.

Perda de Calor de um Arco

A perda de calor de um arco em um disjuntor ocorre por condução, convecção e radiação. Em um disjuntor com arco simples em óleo, arco em chutes ou ranhuras estreitas, quase toda a perda de calor é devida à condução. Em um disjuntor de ar comprimido ou em um disjuntor onde há um fluxo de gás presente entre os contatos elétricos, a perda de calor do plasma do arco ocorre devido ao processo de convecção. A pressão normal, a radiação não é um fator significativo, mas em pressões mais altas, a radiação pode se tornar um fator muito importante de dissipação de calor do plasma do arco. Durante a abertura dos contatos elétricos, o arco no disjuntor é produzido e extinto em cada cruzamento de zero da corrente, e então é reestabelecido durante o próximo ciclo. A extinção final do arco ou supressão do arco no disjuntor é alcançada por um aumento rápido da resistência dielétrica no meio entre os contatos, de modo que o reestabelecimento do arco após o cruzamento de zero não seja possível. Este aumento rápido da resistência dielétrica entre os contatos do disjuntor é alcançado ou pela desionização do gás no meio do arco ou pela substituição do gás ionizado por gás fresco e frio.
Há vários processos de desionização aplicados para a extinção do arco em disjuntores, vamos discuti-los brevemente.

Desionização do Gás devido ao Aumento da Pressão

Se a pressão do caminho do arco aumentar, a densidade do gás ionizado aumenta, o que significa que as partículas no gás ficam mais próximas umas das outras e, como resultado, o caminho livre médio das partículas é reduzido. Isso aumenta a taxa de colisão e, como discutimos anteriormente, a cada colisão, as partículas carregadas perdem sua velocidade direcionada ao longo do campo elétrico e são reaceleradas na direção do campo. Pode-se dizer que a mobilidade geral das partículas carregadas é reduzida, então a tensão necessária para manter o arco é aumentada. Outro efeito da densidade aumentada de partículas é uma taxa mais alta de desionização do gás devido à recombinação de partículas com cargas opostas.

Desionização do Gás devido à Diminuição da Temperatura

A taxa de ionização do gás depende da intensidade do impacto durante a colisão das partículas de gás. A intensidade do impacto durante a colisão das partículas, por sua vez, depende da velocidade dos movimentos aleatórios das partículas. Este movimento aleatório de uma partícula e sua velocidade aumentam com o aumento da temperatura