Wisselen van weerstand in een schakelaar
Wisselschakelen
Wisselschakelen verwijst naar de praktijk van het parallel aansluiten van een vaste weerstand over de contactruimte of boog van een schakelaar. Deze techniek wordt toegepast in schakelaars met een hoge post-boogweerstand in de contactruimte, voornamelijk om herstroomspanningen en tijdelijke spanningspieken te verminderen.
Ernstige spanningsschommelingen in elektriciteitsnetwerken ontstaan uit twee hoofdscenario's: het onderbreken van kleine inductieve stromen en het doorbreken van capacitaire stromen. Deze overspanningen brengen risico's met zich mee voor het systeem, maar kunnen effectief worden beheerd door wisselschakelen - bereikt door een weerstand over de schakelaarcontacten aan te sluiten.
Het onderliggende principe is dat de parallelle weerstand een deel van de stroom tijdens het onderbreken afleidt, waardoor de stroomsnelheid (di/dt) beperkt wordt en de opkomst van de tijdelijke herstroomspanning wordt gesupprimeerd. Dit vermindert niet alleen de kans op heraansteken van de boog, maar zorgt ook voor een efficiëntere dissipatie van de boogenergie. Wisselschakelen is bijzonder cruciaal in extra-hoogspanningssystemen (EHV) voor toepassingen die gevoelig zijn voor schakeloverspanningen, zoals het ontkoppelen van lege transmissielijnen of het schakelen van condensatorbanken.
Bij het optreden van een storing openen de schakelaarcontacten, waardoor er een boog tussen hen ontstaat. Terwijl de boog wordt omgeleid door weerstand R, wordt een deel van de boogstroom via de weerstand afgeleid, waardoor de boogstroom afneemt en de deïonisatiesnelheid van het boogkanaal versnelt.
Dit activeert een zelfversterkende cyclus: naarmate de boogweerstand toeneemt, stroomt meer stroom door de omleidingsweerstand R, waardoor de boog nog meer energie tekort komt. Dit proces gaat door tot de stroom onder de kritische drempel voor boogonderhoud daalt (zoals in de figuur hieronder weergegeven), waarop de boog dooft en de schakelaar het circuit succesvol onderbreekt.
Het mechanisme berust op de dynamische regeling van de stroomverdeling door de omleidingsweerstand, waardoor de boog in een vicieuze cirkel van "stroomafname → versnelde deïonisatie → stijgende boogweerstand" wordt gedwongen. Dit maakt een snelle herstel van de dielektrische sterkte in het boogkanaal mogelijk - vaak al voor de stroom nulovergang - waardoor het bijzonder effectief is voor het onderdrukken van hoge-frequentie herstroomoverspanningen. Deze functionaliteit is cruciaal in EHV-schakelaars tijdens het onderbreken van capacitaire stromen of kleine inductieve stromen.
Alternatief kan de weerstand automatisch worden ingeschakeld door de boog van de hoofdcontacten naar de sondeercontacten over te dragen - zoals in axiale blaasschakelaars - waarbij deze actie in een uiterst korte tijd plaatsvindt. Door de boogweg te vervangen door een metalen pad wordt de stroom door de weerstand beperkt, waardoor de onderbreking gemakkelijk kan plaatsvinden.
De omleidingsweerstand speelt ook een cruciale rol bij het dempen van de oscillatoire groei van herstroomspanningspieken. Wiskundig kan worden bewezen dat de natuurlijke frequentie (fn) van de oscillaties in het getoonde circuit wordt beheerst door: het introduceren van een resistieve component verbetert de dempingskenmerken van het circuit, waardoor de oscillatieamplitude afneemt en de stijgsnelheid van de spanning vertraagt. Dit is analoog aan het integreren van een dissipatieve tak in een LC-oscillatorlus, waardoor ongedempte oscillaties in gedempte oscillaties worden omgezet en de stabiliteit van de schakelaaronderbreking aanzienlijk verbetert.
In axiale blaasconfiguraties zorgt de snelle boogoverdracht ervoor dat de weerstand al voor de stroom nul ingeschakeld wordt, wat demping controle biedt aan het begin van het tijdelijke proces. Dit ontwerp is bijzonder geschikt voor EHV-toepassingen die beperking van schakeloverspanningen vereisen, aangezien de synergetische werking van weerstand en boog een geordende dissipatie van elektromagnetische energie tijdens de onderbreking mogelijk maakt.
Samenvatting van de functies van wisselschakelen
Kortom, een weerstand over de schakelaarcontacten kan een of meer van de volgende functies uitvoeren:
Vermindert de TRR (Tempo van Stijging van Herstroomspanning) op de schakelaar
Door de boogstroom af te leiden en de deïonisatie van het boogkanaal te versnellen, remt de weerstand de stijging van de tijdelijke herstroomspanning (TRV), waardoor de belasting op de dielektrische sterkteherstel van de schakelaaronderbreker wordt verlicht.
Vermindert hoge-frequentie herstroomspanningspieken tijdens het schakelen van inductieve/capacitaire lasten
Bij het onderbreken van inductieve stromen (bijvoorbeeld lege transformators) of capacitaire stromen (bijvoorbeeld oplaadkabels), beperkt de omleidingsweerstand de amplitude van oscillatoire overspanningen door energiedissipatie, waardoor inslagrisico's worden voorkomen.
Gelijke TRV-verdeling in multi-break schakelaars
In schakelaars met meerdere onderbrekingsgaten zorgt de weerstand voor een gelijke TRV-verdeling over de contactgaten via spanningdeling, waardoor herstroom door voltageconcentratie in één enkel gat wordt voorkomen.
Scenario's waarin wisselschakelen niet nodig is
Conventionele schakelaars met een lage post-boogweerstand in de contactruimte (bijvoorbeeld middelspanningslucht-schakelaars) hebben geen extra omleidingsweerstanden nodig. Hun boogkanalen deïoniseren van nature snel genoeg om aan de onderbrekingsvereisten te voldoen zonder externe weerstand.
Technische principesanalyse
De kernwaarde van wisselschakelen ligt in het synergistische mechanisme van "impedantie matching-energie dissipatie-demping van oscillatie," wat tijdelijke schakeltransities binnen de uithoudingslimieten van de apparatuur beheerst. Deze technologie is bijzonder cruciaal in EHV-systemen (110kV en hoger), en lost effectief op:
Deze oplossingen overwinnen de beperkingen van traditionele boogextinctiemethoden in het beheersen van tijdelijke overspanningen.
