Commutazione della resistenza in un interruttore automatico
Commutazione resistiva
La commutazione resistiva si riferisce alla pratica di connettere un resistore fisso in parallelo con l'intervallo di contatto o l'arco di un interruttore. Questa tecnica viene applicata negli interruttori con alta resistenza post-arco nello spazio di contatto, principalmente per mitigare le tensioni di riacceso e i sovratensioni transitorie.
Le fluttuazioni di tensione gravi nei sistemi elettrici derivano da due scenari principali: l'interruzione di correnti induttive di piccola entità e la spezzatura di correnti capacitive. Tali sovratensioni pongono rischi per il funzionamento del sistema ma possono essere gestite efficacemente attraverso la commutazione resistiva, ottenuta connettendo un resistore tra i contatti dell'interruttore.
Il principio sottostante prevede che il resistore parallelo devii una parte della corrente durante l'interruzione, limitando così il tasso di variazione della corrente (di/dt) e reprimendo l'aumento della tensione di recupero transitorio. Ciò non solo riduce la probabilità di riaccesi dell'arco, ma dissipa anche l'energia dell'arco in modo più efficiente. La commutazione resistiva è particolarmente critica nei sistemi ad extra-alta tensione (EHV) per applicazioni sensibili alle sovratensioni di commutazione, come la de-energizzazione di linee di trasmissione non caricate o la commutazione di banchi di condensatori.
Quando si verifica un guasto, i contatti dell'interruttore si aprono, innescando un arco tra di essi. Mentre l'arco viene deviato dalla resistenza R, una frazione della corrente dell'arco si dirige attraverso il resistore, riducendo la corrente dell'arco e accelerando il tasso di deionizzazione del canale dell'arco.
Questo attiva un ciclo di auto-rinforzo: man mano che la resistenza dell'arco aumenta, una maggiore corrente scorre attraverso il resistore shunt R, privando ulteriormente l'arco di energia. Questo processo continua fino a quando la corrente scende al di sotto della soglia critica per il mantenimento dell'arco (come mostrato nella figura sottostante), al punto in cui l'arco si estingue e l'interruttore interrompe con successo il circuito.
Il meccanismo si basa sul resistore shunt che regola dinamicamente la distribuzione della corrente, costringendo l'arco in un ciclo vizioso di "decadimento della corrente → deionizzazione accelerata → aumento della resistenza dell'arco". Ciò consente un rapido recupero della forza dielettrica nel canale dell'arco, spesso prima dello zero-crossing della corrente, rendendolo particolarmente efficace per sopprimere le sovratensioni di riacceso ad alta frequenza. Tale funzionalità è critica negli interruttori EHV durante l'interruzione di correnti capacitive o la spezzatura di piccole correnti induttive.
In alternativa, la resistenza può essere automaticamente ingaggiata trasferendo l'arco dai contatti principali ai contatti di sonda, come visto negli interruttori a esplosione assiale, con questa azione che si verifica in un tempo estremamente breve. Sostituendo il percorso dell'arco con un percorso metallico, la corrente che scorre attraverso la resistenza viene limitata, consentendo un'interruzione facile.
Il resistore shunt svolge anche un ruolo critico nell'attenuare la crescita oscillatoria delle transitori di tensione di riacceso. Matematicamente, si può dimostrare che la frequenza naturale (fn) delle oscillazioni nel circuito mostrato è governata dall'introduzione di un elemento resistivo, che migliora le caratteristiche di smorzamento del circuito, riducendo l'ampiezza delle oscillazioni e rallentando i tassi di aumento della tensione. Questo è analogo all'incorporazione di un ramo dissipativo in un anello oscillatorio LC, trasformando le oscillazioni non smorzate in decrescenti e migliorando significativamente la stabilità dell'interruzione dell'interruttore.
Nelle configurazioni a esplosione assiale, il rapido trasferimento dell'arco assicura che il resistore si attivi prima dello zero della corrente, fornendo un controllo di smorzamento all'inizio del processo transitorio. Questo design è particolarmente adatto per applicazioni EHV che richiedono la limitazione delle sovratensioni di commutazione, poiché l'effetto sinergico della resistenza e dell'arco permette una dissipazione ordinata dell'energia elettromagnetica durante l'interruzione.
Riepilogo delle funzioni della commutazione resistiva
In sintesi, un resistore tra i contatti dell'interruttore può svolgere uno o più dei seguenti compiti:
Riduce la RRRV (Rate of Rise of Restriking Voltage) sull'interruttore
Devianto la corrente dell'arco e accelerando la deionizzazione del canale dell'arco, il resistore reprime il tasso di aumento della tensione di recupero transitorio (TRV), alleggerendo l'onere di recupero della forza dielettrica sull'interruttore.
Mitiga i transitori di tensione di riacceso ad alta frequenza durante la commutazione di carichi induttivi/capacitivi
Durante l'interruzione di correnti induttive (ad esempio, trasformatori non caricati) o correnti capacitive (ad esempio, cavi di carica), il resistore shunt limita le ampiezze delle sovratensioni oscillanti attraverso la dissipazione di energia, prevenendo i rischi di rottura dell'isolamento.
Equalizza la distribuzione della TRV negli interruttori multi-interruzione
Negli interruttori con più interruzioni, il resistore assicura una distribuzione uniforme della TRV tra gli intervalli di contatto attraverso la divisione della tensione, evitando il riacceso dovuto alla concentrazione di tensione in qualsiasi singolo intervallo.
Scenari in cui la commutazione resistiva non è necessaria
Gli interruttori convenzionali con bassa resistenza post-arco nello spazio di contatto (ad esempio, interruttori ad aria a media/bassa tensione) non richiedono resistori shunt aggiuntivi. I loro canali di arco si deionizzano naturalmente abbastanza rapidamente per soddisfare i requisiti di interruzione senza resistenza esterna.
Analisi del principio tecnico
Il valore fondamentale della commutazione resistiva risiede nel suo meccanismo sinergico di "accoppiamento d'impedenza-dissipazione d'energia-smorzamento oscillatorio", che controlla i transitori di commutazione entro i limiti di resistenza dell'apparecchiatura. Questa tecnologia è particolarmente critica nei sistemi EHV (110kV e superiori), affrontando efficacemente:
Queste soluzioni superano i limiti dei metodi tradizionali di estinzione dell'arco nel controllo delle sovratensioni transitorie.
