ヒューズなどの電子機器におけるアーク発生の原理と消弧方法

電気アークとは何ですか?

回路内のヒューズが切れるとき、電圧と電流が一定の値に達すると、ヒューズリンクが溶断して切断されたばかりで、切り離されたばかりのヒューズリンク間にアークが発生します。これをアークと呼びます。これは、ガスをイオン化し、通常は絶縁性の媒体に電流を流す強い電場によるものです。電気アークの使用には、溶接や製鉄所の電気アーク炉など、さまざまな用途があります。しかし、アークが制御されていない状態で発生すると、送電、配電、電子機器に損傷を与える可能性があります。したがって、アークを理解し、制御する必要があります。

電気アークの構成

1. アークコラムゾーン

アーク柱領域は電気的に中性であり、分子、原子、励起原子、正イオン、負イオン、電子で構成されています。このうち、プラスに帯電したイオンはマイナスに帯電したイオンとほぼ等しいため、プラズマとも呼ばれます。荷電粒子は、多くのエネルギーを消費することなくプラズマ内で方向性を持って移動するため、低電圧条件下でも大電流を流すことができます。電流を伝える主な荷電粒子は電子であり、荷電粒子の総数の約 99.9% を占め、残りは正イオンです。カソード領域とアノード領域の長さが非常に短いため、アーク柱領域の長さをアーク長とみなすことができます。アーク柱領域の電界強度は比較的低く、通常はわずか 5 ～ 10V/cm です。

2. カソード領域

陰極は電子源と考えられています。 99.9% の荷電粒子 (電子) をアーク柱に供給します。陰極が電子を放出する能力は、アークの安定性に大きな影響を与えます。カソード領域の長さは 10-5 ～ 10-6cm です。カソード電圧降下が 10V の場合、カソード領域の電界強度は 106 ～ 107V/cm になります。

3. アノード領域

アノード領域は主に電子を受け取る役割を果たしますが、0.1% の荷電粒子 (正イオン) をアーク柱に提供する必要もあります。アノード領域の長さは通常 10 -2 ～ 10 -3 cm であるため、アノード領域の電界強度は 103 ～ 104 V/cm になります。アノード領域の電圧降下は、アノード材料と溶接電流に大きな影響を与えるため、電圧降下は 0 ～ 10 V の間で変化する可能性があります。たとえば、電流密度が高く、アノード温度が高く、アノード材料が蒸発すると、アノード電圧降下は 0V まで低下します。

電気アークの特徴

1. アークの安定した燃焼を維持するために必要なアーク電圧は非常に低く、大気中での 1cm の DC アーク柱の電圧はわずか 10 ～ 50V です。

2. アークには、数アンペアから数千アンペアの範囲の大電流が流れる可能性があります。

3. アークの温度が高く、アーク柱の温度が不均一です。中心温度は最も高く、6000～10000度に達しますが、中心から離れると温度は低下します。

4. 電気アークは強い光を発することがあります。アークから放射される光の波長は（1.7-50）×10-7mです。赤外線、可視光線、紫外線の 3 つの部分で構成されます。

電気アークの分類

1. 電流の種類に応じて、AC アーク、DC アーク、パルス アークに分けることができます。

2. アークの状態により、自由アークと圧縮アーク（プラズマアークなど）に分けられます。

3. 電極材料に応じて、溶融電極アークと非溶融電極アークに分けられます。

電気アークの危険性

1. アークが存在すると、開閉装置が故障した回路を切断する時間が長くなり、電力システムで短絡が発生する可能性が高くなります。

2. アークによって発生する高温により接触面が溶けて蒸発し、絶縁材が焼き切れます。油が充填された電気機器は、火災や爆発などの危険を引き起こす可能性もあります。

3. 電気アークは電気力と熱力の作用によって移動する可能性があるため。アークショートや怪我を引き起こしやすく、事故の拡大につながります。

6つのアーク消弧の原理

1. アーク温度

アークは熱イオン化によって維持され、アークの温度を下げると熱イオン化が弱まり、新しい荷電イオンの生成が減少します。同時に、荷電粒子の速度も低下し、複合効果が高まります。アークを急速に伸ばすこと、ガスまたはオイルをアークに吹き付けること、またはアークを固体媒体の表面に接触させることによって、アーク温度を下げることができます。

2.媒体の特徴

アークが燃焼する媒体の特性によって、アークの解離の強さが大きく決まります。熱伝導率、熱容量、熱自由温度、絶縁耐力などを含みます。

3. 媒体ガスの圧力

ガス媒体の圧力は、アークの解離に大きな影響を与えます。ガスの圧力が高くなるほど、アーク内の粒子の濃度が高くなり、粒子間の距離が狭くなり、複合効果が強くなり、アークが消えやすくなるからです。高真空環境下では衝突確率が低下するため衝突解離が抑制され、拡散効果が強くなります。

4. 接点材質

接触材質も剥離のプロセスに影響します。融点が高く、熱伝導率が良く、熱容量が大きい耐高温金属を接点として使用すると、アーク中のホットエレクトロンや金属蒸気の放出が減少し、アーク消弧に有利になります。

アークを消す方法

1. 媒体を使用してアークを消す

アークギャップの剥離はアーク周囲の消火媒体の特性に大きく依存します。六フッ化硫黄ガスは、強い電気陰性度を持つ優れた消弧媒体です。電子を素早く吸着し、再結合やイオン化を促進する安定したマイナスイオンを形成します。そのアーク消弧能力は空気の約100倍です。真空 (圧力 0.013Pa 以下) もアーク消弧に適した媒体です。真空中では中性粒子の数が少ないため、衝突や解離が起こりにくく、真空では拡散や解離が起こりやすくなります。アーク消弧能力は空気の約15倍です。

2. ガスまたはオイルを使用してアークを吹き飛ばします

アークを吹くと、アークギャップ内で荷電粒子の拡散と冷却再結合が起こります。高圧遮断器では、ガスやオイルから巨大な圧力を発生させ、アークギャップに向かって強制的に吹き付けるために、さまざまな形式の消弧室構造が使用されています。アークの吹き方には大きく分けて「縦吹き」と「横吹き」の 2 種類があります。垂直吹きとは、アークと平行な吹き方向であり、アークが薄くなる原因となります。横吹きとは、アークに対して垂直な吹き方向で、アークを引き伸ばして切断します。

3. 消弧接点に特殊金属材料を使用

融点が高く、熱伝導率が高く、熱容量が大きい高耐熱金属を接点材料として使用することで、アーク中のホットエレクトロンや金属蒸気の放出を低減し、イオン化を抑制する効果が得られます。同時に使用される接点材料には、耐アーク性および耐溶接性も要求されます。一般的な接点材料には、銅タングステン合金、銀タングステン合金などが含まれます。

4. 電磁アーク吹き

電気アークが電磁力の作用下で移動する現象を電磁吹きアークと呼びます。周囲の媒体中でのアークの移動により、エアブローと同じ効果があり、アークを消すという目的が達成されます。このアーク消弧方法は、低圧開閉装置でより広く使用されています。

5. 固体媒体の狭いスリット内で円弧を動かします

このタイプのアーク消弧方法は、スリットアーク消弧とも呼ばれます。媒体の狭いスリット内でのアークの移動により、一方では冷却され、イオン化効果が高まります。一方、アークは長くなり、アーク径は小さくなり、アーク抵抗が増加してアークは消滅します。

6. 長い円弧を短い円弧に分割します

アークがそれに垂直な金属グリッドの列を通過すると、長いアークはいくつかの短いアークに分割されます。ショートアークの電圧降下は主にアノード領域とカソード領域で発生します。グリッドの数が、各セグメントでのアーク燃焼を維持するために必要な最小電圧降下の合計が印加電圧より大きくなるのに十分な場合、アークは自然に消えます。さらに、AC 電流がゼロを越えた後、陰極近傍効果により、各アーク ギャップの絶縁耐力は突然 150 ～ 250 V に増加します。複数のアークギャップを直列に使用することにより、より高い絶縁耐力を得ることができ、ゼロクロスで消えたアークが再点火することはありません。

7.多重破断アーク消火を採用

高電圧遮断器の各相は 2 つ以上の遮断器と直列に接続されており、これにより各遮断器が負担する電圧が低下し、接点遮断速度が 2 倍になり、アークが急速に伸びてアーク消弧に有利になります。

8. サーキットブレーカー接点の離脱速度の向上

アークの伸長速度が向上しました。これは、アークの冷却、再結合、拡散に有益です。