Switching of Resistance in a Circuit Breaker

مقاومت سوئیچینگ

مقاومت سوئیچینگ به عمل اتصال یک مقاومت ثابت موازی با فاصله تماس یا قوس مداربر قصد دارد. این تکنیک در مداربرهایی که دارای مقاومت بالای پس از قوس در فضای تماس هستند، به منظور کاهش ولتاژهای دوباره روشن شونده و نوسانات ولتاژ موقت استفاده می‌شود.

نوسانات شدید ولتاژ در سیستم‌های برق از دو سناریو اصلی ناشی می‌شود: قطع جریان‌های القایی کم مقدار و قطع جریان‌های خازنی. این ولتاژهای بیش از حد می‌توانند ریسک‌هایی برای عملکرد سیستم ایجاد کنند اما می‌توان آنها را با مقاومت سوئیچینگ که با اتصال یک مقاومت به طرفین مداربر انجام می‌شود، مؤثرانه مدیریت کرد.

اصول زیرین شامل تغییر جهت یک بخش از جریان در حین قطع توسط مقاومت موازی است که در نتیجه سرعت تغییر جریان (di/dt) محدود می‌شود و بالا رفتن ولتاژ بازیابی موقت کاهش می‌یابد. این کار نه تنها احتمال دوباره روشن شدن قوس را کاهش می‌دهد بلکه انرژی قوس را به صورت موثرتر پخش می‌کند. مقاومت سوئیچینگ در سیستم‌های ولتاژ بسیار بالا (EHV) برای کاربردهای حساس به ولتاژهای دوباره روشن شونده مانند قطع خطوط انتقال بدون بار یا سوئیچ کردن بانک‌های خازنی بسیار مهم است.

وقتی خرابی رخ می‌دهد، تماس‌های مداربر باز می‌شوند و یک قوس بین آنها شروع می‌شود. با تغییر جهت قوس توسط مقاومت R، یک بخش از جریان قوس از طریق مقاومت عبور می‌کند که باعث کاهش جریان قوس و شتاب دادن نرخ دوپلاسیونیزه شدن کانال قوس می‌شود.

این موجب یک چرخه خود تقویت کننده می‌شود: با افزایش مقاومت قوس، جریان بیشتری از طریق مقاومت موازی R عبور می‌کند و بنابراین قوس از انرژی محروم می‌شود. این فرآیند تا زمانی ادامه دارد که جریان زیر آستانه بحرانی برای حفظ قوس برسد (همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است)، در این زمان قوس خاموش می‌شود و مداربر موفق به قطع مدار می‌شود.

مکانیزم بر اساس تنظیم دینامیکی توزیع جریان توسط مقاومت موازی است که قوس را در یک چرخه بد "کاهش جریان → شتاب دادن دوپلاسیونیزه شدن → افزایش مقاومت قوس" می‌گیرد. این امر بازیابی سریع قدرت الکتریکی در کانال قوس را ممکن می‌سازد – غالباً قبل از عبور جریان از صفر – که آن را برای سرکوب ولتاژهای دوباره روشن شونده با فرکانس بالا بسیار مؤثر می‌کند. این عملکرد در مداربرهای EHV در حین قطع جریان‌های خازنی یا جریان‌های القایی کوچک بسیار حیاتی است.

به عنوان یک گزینه دیگر، مقاومت می‌تواند به طور خودکار با انتقال قوس از تماس‌های اصلی به تماس‌های سوند فعال شود - مانند مداربرهای پخش محوری - که این عمل در زمان بسیار کوتاهی انجام می‌شود. با جایگزینی مسیر قوس با یک مسیر فلزی، جریان عبوری از مقاومت محدود می‌شود و قطع آسان می‌گردد.

مقاومت موازی نقش مهمی در کاهش رشد نوسانی ولتاژهای دوباره روشن شونده دارد. ریاضیا می‌توان نشان داد که فرکانس طبیعی (fn) نوسانات در مدار نشان داده شده با معرفی یک عنصر مقاومتی ویژگی‌های میرایی مدار را افزایش می‌دهد، دامنه نوسانات را کاهش می‌دهد و نرخ افزایش ولتاژ را کند می‌کند. این مشابه با اضافه کردن یک شاخه پخش کننده به یک حلقه نوسانی LC است که نوسانات بدون میرا را به نوسانات میرا تبدیل می‌کند و پایداری قطع مداربر را به طور قابل توجهی بهبود می‌بخشد.

در پیکربندی‌های پخش محوری، انتقال سریع قوس اطمینان می‌دهد که مقاومت قبل از صفر شدن جریان فعال شود و کنترل میرایی را در آغاز فرآیند موقتی اعمال کند. این طراحی برای کاربردهای EHV که نیاز به محدود کردن ولتاژهای دوباره روشن شونده دارند بسیار مناسب است، زیرا اثر همکاری مقاومت و قوس اجازه می‌دهد تا انرژی الکترومغناطیسی به طور مرتب در حین قطع پخش شود.

خلاصه عملکردهای مقاومت سوئیچینگ

به طور خلاصه، یک مقاومت موازی با تماس‌های مداربر می‌تواند یک یا چندین عملکرد زیر را انجام دهد:

کاهش نرخ افزایش ولتاژ دوباره روشن شونده (RRRV) در مداربر

با تغییر جهت جریان قوس و شتاب دادن دوپلاسیونیزه شدن کانال قوس، مقاومت نرخ افزایش ولتاژ بازیابی موقت (TRV) را کاهش می‌دهد و بار بازیابی قدرت الکتریکی در مداربر را تسهیل می‌کند.

کاهش ولتاژهای دوباره روشن شونده با فرکانس بالا در حین سوئیچ کردن بارهای القایی/خازنی

هنگام قطع جریان‌های القایی (مثلاً ترانسفورماتورهای بدون بار) یا جریان‌های خازنی (مثلاً کابل‌های شارژ شونده)، مقاومت موازی دامنه نوسانات ولتاژ بیش از حد را از طریق پخش انرژی محدود می‌کند و از خطرات تخریب عایق جلوگیری می‌کند.

 تساوی توزیع TRV در مداربرهای چند قطعه‌ای

در مداربرهایی که چند فاصله قطع دارند، مقاومت اطمینان می‌دهد که TRV به طور یکنواخت در بین فواصل تماس تقسیم شود و از دوباره روشن شدن به دلیل تمرکز ولتاژ در یک فاصله خاص جلوگیری می‌کند.

سناریوهایی که مقاومت سوئیچینگ لازم نیست

مداربرهای معمولی با مقاومت پس از قوس کم در فضای تماس (مثلاً مداربرهای هوایی متوسط/کم ولتاژ) نیازی به مقاومت‌های موازی اضافی ندارند. کانال‌های قوس آنها به طور طبیعی به سرعت دوپلاسیونیزه می‌شوند تا نیازهای قطع را بدون مقاومت خارجی برآورده کنند.

تحلیل اصول فنی

ارزش اصلی مقاومت سوئیچینگ در مکانیزم همکاری "تطابق امپدانس-پخش انرژی-میرایی نوسانات" است که نوسانات سوئیچینگ را در محدوده تحمل تجهیزات کنترل می‌کند. این تکنولوژی در سیستم‌های EHV (110kV و بالاتر) بسیار حیاتی است و به طور مؤثر مسائل زیر را حل می‌کند:

• ولتاژهای بیش از حد برش جریان کوچک

• ولتاژهای دوباره روشن شونده در حین قطع جریان‌های خازنی

این راه‌حل‌ها محدودیت‌های روش‌های سنتی خاموش کردن قوس در کنترل ولتاژهای موقت بیش از حد را غلبه می‌کنند.