アーク抑制

アーク抑制とは、電流を流す接点が開閉するときに発生する電気アーク^{[1] [2] [3] [4] [5]}のエネルギーを減らすことです。電気アークは、少なくとも 100mA の電流によって支えられた高エネルギーの電子とイオンからなる人工の連続アーク放電です。電気火花と混同しないでください。^[6]

電力装置（ヒーター、ランプ、モーター、変圧器、または同様の電力負荷など）がオンまたはオフになるたびに、スイッチ、リレー、または接触器が、負荷がかかった状態で、閉状態から開状態（「ブレーク」）に、または開状態から閉状態（「メイク」）に移行し、スイッチの 2 つの接点（電極）間に電気アークが発生します。

発生する電気アークの温度は非常に高く（数万度）、接触面の金属が溶けて溜まり、電流とともに移動する。アークの高温により周囲のガス分子が解離し、オゾン、一酸化炭素、その他の化合物が発生する。アークエネルギーにより接触金属がゆっくりと破壊され、一部の物質が微粒子物質として空気中に放出される。この活動により接触部の材料が急速に劣化し、機器の故障につながる。^{[4] [7]}

アーク抑制を理解するには、アーク発生とアーク開始の両方のメカニズムを理解する必要があります。接触アークは、熱電子放出開始アーク(「T アーク」) または電界放出開始アーク(「F アーク」) のいずれかであり、継続的な電力供給によって維持されます (アーク溶接機やキセノン アークランプを想像してください)。

1. T-アークは電流から生まれ、V _{（T-Arc_init_min）}付近で開始し、T-アークプラズマは最小アーク電流I _{（arc_plasma_min）}以上に維持されます。^[8]
2. Fアークは電圧から生まれ、V _{（F-Arc_init_min）}付近で開始し、Fアークプラズマは最小アーク電流I _{（arc_plasma_min）}以上に維持されます。^[8]

アーク放電はBREAK遷移とMAKE遷移の両方で発生しますが、通常、ブレークアークの方がエネルギーが大きく、より破壊的です。^{[8] [9] [10]}

接触MAKE中、可動電極が固定電極に近づくとF-Arc が開始されます。次に、 MAKE F-Arcプラズマが点火し、接触衝撃の瞬間にすぐに消火します。この最初の衝撃により、プラズマ圧力増幅MAKEバウンスが連続して発生し、各バウンスでT-Arc が発生します。これらのバウンスは、接触が CLOSED 位置でマイクロ溶接されるまで続きます。(「アーク抑制」は「アーク除去」を意味するものではないことに注意してください。一部の小さなアーク (「アークレット」) は有益なマイクロ溶接を生成します。これらのマイクロ溶接は、耐振動性、低抵抗、非永久電極接続を保証するため、望ましい重要な電力接触機能です。) ^{[8] [9] [10]}

「BREAKアーク」は、最初のBREAK T アークから成り、これは一連のBREAK F アークによって延長される可能性があります。最初のBREAK T アークは、接点が開き始めると電流を流していた過熱された溶融金属ブリッジが爆発した後に生成されます。BREAK T アークプラズマが消えて電流が遮断 されると、ループ内のインダクタンスによって一連の BREAK F アークが開始され、「BREAKアーク」の持続時間が延長されます。この一連のBREAK F アークは、接点ギャップが燃焼プラズマを支える熱力学的能力を超えて広がるまで続きます。^{[8] [9] [10]}

アーク抑制法の使用が可能な分野はいくつかありますが、その中には、金属膜の堆積やスパッタリング、電気アークが望ましくない静電プロセス（粉体塗装など）、空気浄化、接触電流アーク抑制などがあります。工業、軍事、民生用電子機器の設計では、後者の方法は一般に、電気機械式電源スイッチ、リレー、接触器などのデバイスに適用されます。この文脈では、アーク抑制は接触保護です。

接触保護方法は、電気機械スイッチ、リレー、または接触器内の接触の意図された使用中に発生する摩耗と劣化を軽減し、接触抵抗の過度の増加やスイッチの早期故障を回避するように設計されています。

アーク抑制は、電気機械式電源スイッチ、リレー、接触器の接点に対する電気アークの破壊的な影響のため、工学上の関心領域です。 ^{[11] 1}アンペア未満で動作するアプリケーションで接触保護を提供する「アーク抑制」には多くの形式があります。ただし、これらのほとんどは、より正確には「過渡抑制」と見なされ、アーク抑制にも接触保護にも効果がありません。^{[12] [13]}

接触保護のためのアーク抑制ソリューションの有効性は、接触アーク抑制係数（「CASF」）^{[14] [15]}を使用して、抑制されていないアークの計算されたアークエネルギーと抑制されたアークの計算されたアークエネルギーを比較することで評価できます。

CASF = W _(アーク) / W _{(アークレット)}

ここで、W _(アーク) = 抑制されていないアーク エネルギー、W _{(アークレット)} = 抑制されたアーク エネルギーです。抑制されていないアーク エネルギーと抑制されたアーク エネルギーは、オシロスコープの測定からグラフで取得する必要があります。抑制されていないアーク エネルギーと抑制されたアーク エネルギーは、ワット秒 [Ws] またはジュール [J] で表されます。結果として得られる接触アーク抑制係数 [CASF] は無次元です。

W _(円弧) = V _(円弧) × I _(円弧) × T _(円弧)

ここで、V _(arc) : アーク燃焼電圧、I _(arc) : アーク燃焼電流は、およそ I _(load)で、I _{(load) は}数アンペア [A] からキロアンペア [kA] の範囲になります。また、T _(arc) : アーク燃焼時間は、マイクロ秒 [μs] から秒 [s] のオーダーになります。

W _{(アークレット)} = V _{(アークレット)} × I _{(アークレット)} × T _{(アークレット)}

ここで、V _(arclet) : アーク点火電圧は接触金属によって異なります。たとえば、銀インジウムスズ酸化物の場合は約 12V、I _(arclet) : アークレット電流はおよそ I _(load)で、数アンペア [A] からキロアンペア [kA] の範囲になります。T _(arclet) : アークレットの燃焼時間は数マイクロ秒 [μs] のオーダーです。

電気機械式リレーの接点間の電気アークは、リレー接点間の差動電圧プローブと高速電流プローブを接続したオシロスコープを使用して、負荷がかかった状態での動作中に接点を流れる電流を測定することで効果的に測定できます。^{[14] [15]}

あるいは、電気アークは、負荷がかかった状態で接点が開閉しているときに、目に見える接点を備えた電気機械式電力スイッチ、リレー、接触器で視覚的に観察されることもあります。

2アンペア以下で動作するアプリケーションで合理的に効果的なアークサプレッサとなる可能性のある一般的なデバイスには、コンデンサ、スナバ、ダイオード、ツェナーダイオード、バリスタ、過渡電圧サプレッサなどがあります。^{[12] [16] [17]} 2アンペア以上で動作するアプリケーションで効果的であると考えられる接触アーク抑制ソリューションには次のものがあります。

1. 電子パワーコンタクトアークサプレッサー
2. ソリッドステートリレーは電気機械式ではなく、接点がないため、電気アークを発生しません。^[18]
3. ハイブリッドパワーリレー
4. ハイブリッドパワーコンタクタ

この回路図は、電気リレーや接触器の接点を保護することを目的とした電子電力接点アークサプレッサの特許の一部です。接点が開閉するときに接点の周囲に別の経路を設けることでアークを抑制します。^{[19] [20]}

一部の接触アーク サプレッサは保護された接点にのみ接続されて動作しますが、他の接触アーク サプレッサは接触器のコイルにも接続され、サプレッサに接点の動作に関する追加入力を提供します。

アーク抑制技術は多くの利点を生み出すことができる：^[20]

1. アークによる接触損傷を最小限に抑え、メンテナンス、修理、交換の頻度を削減します。
2. 接触信頼性の向上。
3. 発熱量が減少するため、換気やファンなどの熱管理対策が少なくて済みます。
4. オゾンと汚染物質の排出を削減します。
5. 放射される電磁干渉 (EMI) の一般的な発生源であるアークからの電磁干渉(EMI)が軽減されます。

• 接触保護

• リレー - よくある質問
• 電気電子技術者協会のウェブサイトにあるアーク抑制に関する記事