電気アークの形成プロセスとそれを消す方法

電気回路が開くと、アークの形で放電が発生します。電気アークが発生するには、回路内の電流が 0.1 A 以上のオーダーで接点の電圧が 10 V を超えるだけで十分です。電圧と電流が大きくなると、アーク内部の温度が3〜15000℃に達する可能性があり、その結果、接点や通電部が溶けます。

110 kV 以上の電圧では、アークの長さは数メートルに達することがあります。したがって、1 kV 未満の電圧の設備でも重大な結果が生じる可能性がありますが、1 kV を超える電圧での電気アークは、特に高電力回路で非常に危険です。その結果、1 kV を超える電圧および 1 kV 未満の電圧の回路では、アーク放電を可能な限り抑制し、迅速に消火する必要があります。

アーク放電の原因

電気アークを形成するプロセスは次のように簡略化できます。接触が発散すると、まず接触圧力が減少し、それに応じて接触面積が増加します。 遷移抵抗 （電流密度と温度 - 局所（接触領域の特定の領域）で過熱が始まり、高温の影響下で電子の速度が増加し、電子が電極の表面から爆発すると、熱電子放射がさらに発生します。

接点が離れる瞬間、つまり回路が遮断されると、接点ギャップ内の電圧は急速に回復します。この場合、接点間の距離が小さいため、 電界 高電圧の影響下で電子が電極の表面から引き抜かれます。それらは電場中で加速し、中性原子に衝突すると、それに運動エネルギーを与えます。このエネルギーが中性原子の殻から少なくとも 1 つの電子を引き剥がすのに十分な場合、イオン化のプロセスが発生します。

形成された自由電子とイオンは、アーク幹のプラズマを構成します。つまり、アークが燃焼し、粒子の連続的な移動が確保されるイオン化チャネルです。この場合、負に帯電した粒子、主に電子は一方向 (アノードに向かって) に移動し、1 つ以上の電子を奪われたガスの原子および分子 (正に帯電した粒子) は反対方向 (カソードに向かって) に移動します。

プラズマの伝導率は金属に近いです。

アークシャフトには大電流が流れ、高温が発生します。アークシリンダーのこの温度は、熱イオン化を引き起こします。これは、分子や原子が高い運動エネルギーを持って高速で衝突することによるイオン形成のプロセスです (アークが燃える媒体の分子や原子は、電子に崩壊し、陽イオンになります)荷電イオン)。強力な熱イオン化により、高いプラズマ伝導率が維持されます。したがって、アークに沿った電圧降下は小さくなります。

電気アークでは、イオン化に加えて、原子と分子の脱イオン化という 2 つのプロセスが常に発生します。後者は主に拡散、つまり荷電粒子の環境への移動と電子と正荷電イオンの再結合によって起こり、これらの粒子は崩壊に費やされたエネルギーが戻って中性粒子に再集合します。この場合、熱は環境に除去されます。

したがって、考慮されているプロセスの 3 つの段階を区別できます。アーク点火、衝撃電離と陰極からの電子の放出によりアーク放電が始まり、イオン化の強度が脱イオンよりも高い場合、アークの安定した燃焼は次のようなものによってサポートされます。イオン化と脱イオンの強度が同じ場合にはアークシリンダー内の熱電離が起こり、脱イオンの強度がイオン化の強度よりも高い場合にはアークが消失します。

電気開閉装置のアークを消す方法

電気回路の要素を切断し、スイッチングデバイスへの損傷を防ぐには、接点を開くだけでなく、接点間に発生するアークを消す必要もあります。交流と直流では、アーク消弧プロセスと燃焼が異なります。これは、最初のケースでは、アーク内の電流が半サイクルごとにゼロを通過するという事実によって決定されます。このようなとき、アーク内のエネルギーの放出が停止し、アークは自然に消え、そのたびに再点火します。

実際には、アークの電流はゼロクロスよりわずかに早くゼロに近づきます。これは、電流が減少すると、アークに供給されるエネルギーが減少し、それに応じてアークの温度が低下し、熱イオン化が停止するためです。この場合、脱イオンプロセスはアークギャップ内で集中的に継続します。この時点で接点を開いてすぐに開くと、その後の電気遮断は発生せず、回路はアークを発生せずに切断される可能性があります。しかし、実際には、これを行うのは非常に困難であるため、アークの消滅を促進し、アーク空間を確実に冷却し、荷電粒子の数を減らすための特別な措置が講じられます。

脱イオン化の結果、ギャップの絶縁耐力は徐々に増加し、同時にギャップ内の回復電圧も増加します。これらの値の比率は、期間の後半に虹が点灯するかどうかによって異なります。ギャップの絶縁耐力がより速く増加し、回復電圧よりも大きい場合、アークはもはや点火しません。そうでない場合は、安定したアークが提供されます。最初の条件はアーク消弧の問題を定義します。

開閉装置ではさまざまな消弧方法が使用されています。

円弧を伸ばす

電気回路の切断中に接点が発散すると、その結果生じるアークが引き伸ばされます。同時に、アークの表面積が増加し、燃焼に必要な電圧が増加するため、アークの冷却条件が改善されます。

長い円弧を一連の短い円弧に分割する

接点が開いたときに形成されるアークが、たとえば金属グリッドに引き込まれることによって K 個の短いアークに分割されると、アークは消えます。通常、アークは、渦電流によってグリッド プレート内に誘導される電磁場の影響下で金属グリッドに導入されます。この消弧方法は、1 kV 未満の電圧の開閉装置、特に自動空気スイッチで広く使用されています。

狭いスロットでのアーク冷却

小さなアークの消火が容易になります。したがって、 スイッチングデバイス 縦方向のスロットを備えたアークシュートが広く使用されています（そのようなスロットの軸は、アークシリンダーの軸と方向が一致しています）。このようなギャップは通常、絶縁耐アーク性材料で作られたチャンバー内に形成されます。アークが冷たい表面と接触することにより、その激しい冷却が起こり、環境中に荷電粒子が拡散し、それに応じて急速な脱イオン化が起こります。

平らで平行な壁を備えたスロットに加えて、リブ、突起、拡張部（ポケット）を備えたスロットも使用されます。これらすべてがアークシリンダーの変形につながり、チャンバーの冷たい壁との接触面積が増加します。

アークは通常、電流が流れる導体と考えることができるアークと相互作用する磁場によって狭いスロットに引き込まれます。

外部の 磁場 アークの移動は、アークが発生する接点と直列に接続されたコイルによって行われることがほとんどです。狭いスロットの消弧は、すべての電圧のデバイスで使用されます。

高圧アーク消火

一定の温度では、ガスのイオン化の程度は圧力の増加とともに減少しますが、ガスの熱伝導率は増加します。他のすべての条件が等しい場合、これによりアーク冷却が改善されます。密閉されたチャンバー内でアーク自体によって生成される高圧によるアーク消弧は、ヒューズやその他の多くのデバイスで広く使用されています。

油中でのアーク焼入れ

もしも 連絡先の切り替え 油の中に置かれると、開いたときに発生するアークが油の激しい蒸発を引き起こします。その結果、アークの周囲に、主に水素 (70 ～ 80%) と油蒸気からなるガスの泡 (エンベロープ) が形成されます。放出されたガスはアークシリンダーの領域に高速で直接浸透し、バブル内で冷たいガスと熱いガスの混合を引き起こし、集中的に冷却し、それに応じてアークギャップを脱イオン化します。さらに、ガスの脱イオン能力により、オイルの急速な分解中に生成される気泡内の圧力が増加します。

オイル内でのアーク消弧プロセスの強度は、アークがオイルに接触するほど強くなり、オイルがアークに対して速く移動するほど大きくなります。これを考慮すると、アークギャップは閉じた絶縁装置であるアークシュートによって制限されます...これらのチャンバーでは、オイルとアークの緊密な接触が作成され、絶縁プレートと排出穴の助けを借りて作業チャネルが形成されます。それを通して石油とガスが移動し、アークの集中的な噴出（ブローアウト）を引き起こします。

動作原理によると、アークシュートは 3 つの主要なグループに分けられます。 アーク内で放出されるエネルギーによりアークの領域に高圧とガスの移動速度が生成される自噴式、特別なポンピング油圧機構の助けを借りてオイルを強制的に吹き込み、オイル中での磁気消火により、アークが磁場の作用下にあるとき、アークは狭いギャップに移動します。

最も効果的でシンプルな自動膨張式アークシュート... チャネルと排気開口部の位置に応じて、アークの流れに沿ってガスと蒸気の混合物とオイルを集中的に吹き込むチャンバー（縦方向の吹き込み）、またはチャンバーが区別されます。アークを介して（横吹き）が提供されます）。検討されているアーク消弧方法は、1 kV を超える電圧の回路ブレーカーで広く使用されています。

1 kVを超える電圧の機器のアークを消すその他の方法

アークを消す上記の方法に加えて、次のものも使用されます。 圧縮空気の流れがアークに沿ってまたは横に吹き付け、アークの強力な冷却を確実にします（空気の代わりに他のガスが使用され、多くの場合固体ガス発生源から得られます）材料 - 繊維、ビニールプラスチックなど - 燃焼アーク自体による分解を犠牲にします)、 SF6（六フッ化硫黄）空気や水素よりも高い電気的強度を持ち、その結果、このガス内で燃えているアークは、大気圧であっても、接点が開くとすぐに消えます。高希薄ガス（真空）では、アークは消えます。電流が最初にゼロを通過した後は点火（消火）しません。