12. 아크는 왜 발생할까? (인덕터의 작용)

12. 아크는 왜 발생할까? (인덕터의 작용)

스위치, 개폐기, 차단기를 Open, Close 할 때 아크(Arc)가 발생한다.
2개의 서로 다른 전극 사이에 있는 기체가 통전 매개체로 전환되어 이루어지는 전기적인 방전을 '아크 방전'이라고 한다.

아크(Arc) 발생

회로에 전류가 흐르고 있을 때 닫혀있던 스위치를 열게 되면 접점 사이에 아크가 발생하는 것을 볼 수 있다.

이런 아크(Arc)가 발생하는 원리에 대해 알아보자.

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1. 아크(Arc)는 인덕터(Inductor)에 의해 발생한다.
2. 아크의 필요성
3. 직류와 교류에서의 아크

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1. 아크(Arc)는 인덕터(Inductor)에 의해 발생한다.

아크는 인덕터에 의해 발생한다.
저항만 있는 회로와 인덕터 회로를 비교해서 봐보자.

먼저 아래는 저항만 있는 회로이다.

저항 회로

스위치가 열려있기 때문에 전원이 인가되지 않고 있다.


스위치를 닫아보자.

저항 회로에서 스위치를 닫았을 때 전류 변화

오옴의 법칙에 따라 (100V / 10옴 = 10A) 10A의 전류가 회로에 흐르게 된다.
오른쪽 그래프는 스위치 닫은 시점에 회로로 흐르게 되는 전류를 그래프로 표현한 것이다.
스위치를 닫자마자 10A까지 한 번에 올라가는 모습을 볼 수 있다.



이번에는 인덕터까지 있는 회로를 봐보자.

저항-인덕터 회로

스위치가 열려있기 때문에 전원이 인가되지 않고 있다.


스위치를 닫아보자.

저항-인덕터 회로에서 스위치 닫았을 때 전류 변화

저항만 있는 회로와는 다르게 10A까지 한 번에 올라가지 않는 걸 볼 수 있다.
이렇게 되는 이유는 인덕터가 관성의 소자(원래의 상태를 유지하려는 속성을 가진 소자)이기 때문이다.
그래서 전류가 0A에서 10A로 한 번에 변하는 급격한 변화를 억제한다.



전류가 흐르던 회로의 스위치를 Open해도 마찬가지다.

전류가 흐르는 저항-인덕터 회로의 스위치를 열었을 때 전류 변화

스위치를 Open 하면 전류가 10A에서 0A로 바로 떨어지는게 아니라 서서히 떨어진다.

그래서 스위치가 기계적으로 열렸다고 해도 바로 회로가 Open 되는게 아니다.
스위치가 열려있어도 접점 사이의 아크(Arc)로 인해 전류가 흐르게 된다.

스위치가 Open 되는 시점에 아크(Arc) 발생

이 아크는 전류가 0A까지 떨어져야 사라진다.
아크가 사라져야 회로가 Open 됐다고 볼 수 있다.

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2. 아크의 필요성

발생하는 아크를 의도적으로 없애면 안 된다.
전류가 0A가 되기 전에 강제로 아크를 없애게 되면 서지전압(Surge Voltage)이 발생하여 시스템이 망가질 수 있다.
이런 현상을 '전류재단(Currnet Chopping) 현상'이라고 하며 명백히 전기회로에서 나쁜 현상이다.

전류가 '0'인 전기영점에서 전기를 끊어야 회로에 문제가 발생하지 않기에 아크는 필요하다.

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3. 직류와 교류에서의 아크

직류전류와 교류전류에서 아크는 차이가 있다.

직류전류와 교류전류 시간에 따른 변화 그래프

직류전류는 시간에 따라 전류값이 일정하고 교류전류는 시간에 따라 전류값이 +,-를 계속 반복하며 바뀐다.


교류전류는 +,-를 계속 오가기 때문에 시간에 따라 전류값이 0이 되기도 한다. 즉 전류영점이 존재한다.

교류전류는 전류영점이 존재

그래서 전류가 흐르고 있는 회로의 스위치를 열었을 때 시간이 흐름에 따라 전류값이 '0'인 시점이 오므로
알아서 아크가 사라진다.

그러나
직류전류의 경우 일정한 값을 유지하고 있기 때문에 전류값이 0이 되는 전류영점이 존재하지 않는다.
그래서 스위치를 열 때 접점 사이를 아주 멀게 해야 공기중에서 아크저항을 많이 발생해서 아크를 없앨 수 있다.

접점사이의 거리가 멀어지면 아크저항 발생

저압의 경우 이렇게 접점을 멀리 떨어뜨리는 걸로 아크를 사라지게 할 수 있으나
고압이라고 하면 접점사이가 멀어져도 전류를 떨어뜨릴 만큼 아크저항이 나오지 않아서 엄청나게 많은 아크가 발생하고 아크가 사라지지 않기 때문에 위험하다.



+추가로
진공차단기, 오일차단기, 가스차단기와 같은 차단기들은 전류를 끊어주는 역할을 한다.
그런데 이 차단기의 역할이 발생한 아크를 의도적으로 끊어주는 역할을 하는 게 아니다.
교류의 경우 아킹타임만 지나면 아크는 알아서 끊어진다.
차단기의 소호물질은 차단이 이루어지는 타이밍에 스위치 사이에 벌어진 간극 간의 절연을 완벽하게 만들어주는 물질이다.
즉, 차단기가 차단 시키고 난 후 접점끼리 다시 붙지 않도록, 리아크 되지 않게 하는 게 주요 역할이라고 보면 된다.