Antes de repasar los detalles de apagado de arco o extinción del arco tecnologías empleadas en interruptor de circuito… deberíamos saber primero qué es el arco en realidad.
¿Qué es un Arco?
Durante la apertura de actual Los contactos portadores en un interruptor de circuito el medio entre los contactos de apertura se ionizan altamente a través de los cuales la corriente de interrupción consigue un camino de baja resistividad y continúa fluyendo a través de este camino incluso los contactos están físicamente separados. Durante el flujo de la corriente de un contacto a otro el camino se calienta tanto que brilla. Esto se llama arc.
Arco en el Interruptor de Circuito
Siempre que los contactos de corriente de carga del interruptor se abren, hay un arco en el disyuntor…establecido entre los contactos de separación.
Mientras este arco se mantenga entre los contactos, la corriente que pasa por el interruptor no se interrumpirá finalmente, ya que el arco es en sí mismo un camino conductor de la electricidad. Para la total interrupción de la corriente en el interruptor es esencial apagar el arco tan rápido como sea posible. El principal criterio de diseño de un interruptor es proporcionar una tecnología apropiada de apagado de arco en el disyuntor para cumplir con una rápida y segura interrupción de la corriente. Así que antes de pasar por diferentes técnicas de apagado de arco empleado en los interruptores, debemos tratar de entender lo que es el arco y la teoría básica de arco en el disyuntor…vamos a discutir.
Ionización térmica del gas
Hay un número de electrones e iones libres presentes en un gas a temperatura ambiente debido a los rayos ultravioletas, los rayos cósmicos y la radiactividad de la tierra. Estos electrones e iones libres son tan pocos en número que son insuficientes para sostener la conducción de la electricidad. Las moléculas de gas se mueven aleatoriamente a temperatura ambiente. Se encuentra una molécula de aire a una temperatura de 300oK (temperatura ambiente) se mueve aleatoriamente con una velocidad media aproximada de 500 metros/segundo y colisiona con otras moléculas a una velocidad de 1010 veces/segundo.
Estas moléculas que se mueven al azar chocan entre sí de manera muy frecuente, pero la energía cinética de las moléculas no es suficiente para extraer un electrón de los átomos de las moléculas. Si se aumenta la temperatura, el aire se calentará y, por consiguiente, la velocidad de las moléculas aumentará. Una mayor velocidad significa un mayor impacto durante la colisión intermolecular. Durante esta situación algunas de las moléculas se disocian en átomos. Si la temperatura del aire aumenta aún más, muchos átomos se privan de los electrones de valencia y hacen que el gas se ionice. Entonces este gas ionizado puede conducir electricidad debido a suficientes electrones libres. Esta condición de cualquier gas o aire se llama plasma. Este fenómeno se llama ionización térmica del gas.
Ionización por colisión de electrones
Como discutimos, siempre hay algunos electrones e iones libres presentes en el aire o el gas, pero son insuficientes para conducir la electricidad. Siempre que estos electrones libres se encuentran con una fuerte campo eléctricose dirigen hacia puntos de mayor potencial en el campo y adquieren una velocidad suficientemente alta. En otras palabras, los electrones se aceleran a lo largo de la dirección del campo eléctrico debido a un gradiente de alto potencial. Durante su viaje estos electrones chocan con otros átomos y moléculas del aire o del gas y extraen de sus órbitas electrones de valencia.
Después de ser extraídos de los átomos padres, los electrones también correrán en la dirección del mismo campo eléctrico debido al gradiente de potencial. Estos electrones colisionarán de forma similar con otros átomos y crearán más electrones libres que también se dirigirán a lo largo del campo eléctrico. Debido a esta acción conjugada, el número de electrones libres en el gas será tan alto que las estrellas de gas que conducen la electricidad. Este fenómeno se conoce como la ionización del gas debido a la colisión de electrones.
Desionización del gas
Si todas las causas de la ionización del gas se eliminan de un gas ionizado que rápidamente vuelve a su estado neutro por recombinación de las cargas positivas y negativas. El proceso de recombinación de las cargas positivas y negativas se conoce como proceso de desionización. En la desionización por difusión, los iones o electrones negativos y los iones positivos se desplazan a las paredes bajo la influencia de los gradientes de concentración, completando así el proceso de recombinación.
El papel del arco en el disyuntor
Cuando dos contactos de corriente se abren, un arco salva la brecha de contacto a través de la cual la corriente consigue un camino de baja resistencia para fluir, de modo que no habrá ninguna interrupción repentina de la corriente. Como no hay un cambio repentino y abrupto de la corriente durante la apertura de los contactos, no habrá ninguna conmutación anormal voltaje en el sistema. Si i es la corriente que fluye a través de los contactos justo antes de que se abran, L es el sistema inductanciaLa tensión de conmutación durante la apertura de los contactos puede expresarse como V = L.(di/dt) donde di/dt es la velocidad de cambio de la corriente con respecto al tiempo durante la apertura de los contactos. En el caso de la corriente alterna, el arco se extingue monetariamente a cada corriente cero. Después de cruzar cada cero de corriente el medio entre los contactos separados se ioniza de nuevo durante el siguiente ciclo de corriente y el arco en el disyuntor se ha restablecido. Para que la interrupción sea completa y exitosa, esta re-ionización entre contactos separados debe ser impedida después de un cero de corriente.
Si el arco en el interruptor de circuito está ausente durante la apertura de los contactos portadores de corriente, habría una interrupción repentina y abrupta de la corriente que causaría una enorme conmutación sobre el voltaje suficiente para estresar severamente el aislamiento del sistema. Por otra parte, el arco proporciona una transición gradual pero rápida, desde el transporte de corriente a la corriente rompiendo estados de los contactos.
Teoría de la interrupción o extinción de los arcos o de la extinción de los arcos
Características de la columna de arco
A altas temperaturas, las partículas cargadas de un gas se mueven rápida y aleatoriamente, pero en ausencia de un campo eléctrico, no se produce un movimiento neto. Siempre que un campo eléctrico se aplica en el gas, las partículas cargadas ganan velocidad de deriva superpuesto a su movimiento térmico aleatorio. La velocidad de deriva es proporcional al gradiente de voltaje del campo y a la movilidad de las partículas. La movilidad de las partículas depende de la masa de la partícula, las partículas más pesadas, reducen la movilidad. La movilidad también depende de los caminos libres medios disponibles en el gas para el movimiento aleatorio de las partículas. Dado que cada vez que una partícula colisiona, pierde su velocidad dirigida y tiene que ser reacelerada de nuevo en la dirección del campo eléctrico. Por lo tanto, la movilidad neta de las partículas se reduce. Si el gas está a alta presión, se vuelve más denso y por lo tanto, las moléculas de gas se acercan unas a otras, por lo que la colisión se produce con mayor frecuencia, lo que reduce la movilidad de las partículas. La corriente total de las partículas cargadas es directamente proporcional a su movilidad. Por lo tanto, la movilidad de las partículas cargadas depende de la temperatura, la presión del gas y también de la naturaleza del gas. Una vez más, la movilidad de las partículas de gas determina el grado de ionización del gas.
Así que de la explicación anterior podemos decir que proceso de ionización de gas depende de la naturaleza del gas (partículas de gas más pesadas o más ligeras), la presión del gas y la temperatura del gas. Como dijimos antes, la intensidad de la columna de arco depende de la presencia de medios ionizados entre contactos eléctricos separados, por lo que debe prestarse especial atención a la reducción de la ionización o al aumento de la desionización de los medios entre contactos. Por eso la principal característica de diseño de interruptor de circuito… Th
es proporcionar diferentes métodos de control de presión, métodos de enfriamiento para diferentes medios de arco entre los contactos del interruptor.
La pérdida de calor de un arco
La pérdida de calor de un arco en el interruptor se produce por conducción, convección y radiación. En interruptor de circuito… con un arco de rotura simple en aceite, arco en rampas o ranuras estrechas casi toda la pérdida de calor debido a la conducción. En interruptor de circuito de explosión de aire o en un interruptor donde hay un flujo de gas entre los contactos eléctricos, la pérdida de calor del arco de plasma se produce debido al proceso de convección. A presión normal la radiación no es un factor significativo, pero a mayor presión la radiación puede convertirse en un factor muy importante de disipación de calor del arco de plasma. Durante la apertura de los contactos eléctricos, se produce el arco en el interruptor y se extingue en cada cruce por cero de la corriente y luego se restablece de nuevo durante el siguiente ciclo. La extinción final del arco o el apagado del arco en el interruptor se logra mediante un rápido aumento de la fuerza dieléctrica en el medio entre los contactos, de modo que no es posible el restablecimiento del arco después del cruce por cero. Este rápido aumento de la rigidez dieléctrica entre los contactos del interruptor se logra ya sea mediante la desionización del gas en el medio del arco o mediante el reemplazo del gas ionizado por gas fresco y fresco.
Hay varios procesos de desionización aplicados para la extinción de arcos en los interruptores, veamos brevemente.
Desionización del gas debido al aumento de la presión
Si la presión del trayecto del arco aumenta, la densidad del gas ionizado se incrementa, lo que significa que las partículas del gas se acercan unas a otras y, como resultado, el trayecto libre medio de las partículas se reduce. Esto aumenta la tasa de colisión y como hemos discutido anteriormente, en cada colisión las partículas cargadas pierden su velocidad dirigida a lo largo de campo eléctrico y de nuevo son reacelerados hacia el campo. Se puede decir que sobre todo la movilidad de las partículas cargadas se reduce, por lo que el voltaje requerido para mantener el arco se incrementa. Otro efecto del aumento de la densidad de las partículas es una mayor tasa de desionización del gas debido a la recombinación de partículas con carga opuesta.
Desionización del gas debido a la disminución de la temperatura
La tasa de ionización del gas depende de la intensidad del impacto durante la colisión de las partículas de gas. La intensidad del impacto durante la colisión de las partículas de nuevo depende de la velocidad de los movimientos aleatorios de las partículas. Este movimiento aleatorio de una partícula y su velocidad aumenta con el aumento de la temperatura del gas. Por lo tanto, se puede concluir que si la temperatura de un gas aumenta, su proceso de ionización y la afirmación contraria también es cierta, es decir, si la temperatura disminuye, la tasa de ionización del gas disminuye, lo que significa que la desionización del gas aumenta. Por lo tanto, se requiere más voltaje para mantener el arco de plasma con una temperatura disminuida. Finalmente se puede decir que el enfriamiento aumenta efectivamente la resistencia del arco.
Diferente tipos de disyuntores emplean diferentes técnicas de enfriamiento que discutiremos más adelante en el curso de interruptores de circuito….
