Przelaczanie oporu w wyłączniku
Przełączanie oporowe
Przełączanie oporowe odnosi się do praktyki podłączenia stałego opornika równolegle do luki kontaktowej lub łuku w wyłączniku. Ta technika jest stosowana w wyłącznikach z wysokim oporem połuku w przestrzeni kontaktowej, głównie w celu zmniejszenia napięć ponownego zapłonu i przejściowych wzrostów napięcia.
Poważne wahania napięcia w systemach energetycznych wynikają z dwóch głównych scenariuszy: przerwania niewielkich indukcyjnych prądów i przerwania pojemnościowych prądów. Takie przepięcia stanowią zagrożenie dla działania systemu, ale mogą być skutecznie zarządzane poprzez przełączanie oporowe – osiągane przez podłączenie opornika na końcówkach wyłącznika.
Podstawowy mechanizm polega na tym, że równoległy opornik odprowadza część prądu podczas przerwania, ograniczając szybkość zmiany prądu (di/dt) i tłumiąc wzrost przejściowego napięcia odzyskującego. To nie tylko zmniejsza prawdopodobieństwo ponownego zapłonu łuku, ale także skuteczniej rozprasza energię łuku. Przełączanie oporowe jest szczególnie kluczowe w systemach nadzwyczaj wysokiego napięcia (EHV) dla aplikacji wrażliwych na przejściowe wzrosty napięcia, takich jak deenergowanie odcinków linii transmisyjnych bez obciążenia lub przełączanie banków kondensatorów.
Gdy wystąpi awaria, kontakty wyłącznika otwierają się, inicjując łuk między nimi. Kiedy łuk jest omijany przez opór R, część prądu łuku odprowadza przez opornik, zmniejszając prąd łuku i przyspieszając proces dezjonizacji kanału łuku.
To uruchamia samowzmocniający się cykl: gdy opór łuku rośnie, więcej prądu płynie przez opornik R, dalej odcinając łuk od energii. Ten proces trwa, aż prąd spadnie poniżej krytycznego progu utrzymania łuku (jak pokazano na rysunku poniżej), w tym momencie łuk gasnie i wyłącznik pomyślnie przerwie obwód.
Mechanizm opiera się na dynamicznym regulowaniu rozkładu prądu przez opornik szunty, zmuszając łuk do złośliwego cyklu „spadek prądu → przyspieszona dezjonizacja → rosnący opór łuku”. Umożliwia to szybkie odzyskanie siły dielektrycznej w kanale łuku – często przed zerowym przecięciem prądu – co sprawia, że jest szczególnie skuteczne w tłumieniu wysokoczęstotliwościowych przepięć ponownego zapłonu. Taka funkcjonalność jest kluczowa w wyłącznikach EHV podczas przerwania pojemnościowych prądów lub małych indukcyjnych prądów.
Alternatywnie, opór może być automatycznie włączony przez przeniesienie łuku z głównych kontaktów na kontakty sondy – jak w wyłącznikach z osiowym strumieniem gazów – z tym, że ta akcja następuje w bardzo krótkim czasie. Poprzez zastąpienie ścieżki łuku metalową ścieżką, ogranicza się prąd płynący przez opór, umożliwiając łatwe przerwanie.
Opornik szunty odgrywa również kluczową rolę w tłumieniu oscylacyjnego wzrostu przejściowych przepięć ponownego zapłonu. Matematycznie można udowodnić, że naturalna częstotliwość (fn) oscylacji w obwodzie pokazanym jest sterowana przez: wprowadzenie elementu opornego zwiększa charakterystyki tłumienia obwodu, zmniejszając amplitudę oscylacji i spowalniając tempo wzrostu napięcia. Jest to analogiczne do wprowadzenia gałęzi dyssypacyjnej do oscylacyjnej pętli LC, transformując niezatłumione oscylacje w zanikające i znacznie poprawiając stabilność przerwania wyłącznika.
W konfiguracjach z osiowym strumieniem gazów, szybkie przeniesienie łuku zapewnia, że opór włącza się przed zerowym przecięciem prądu, zapewniając kontrolę tłumienia na początku procesu przejściowego. Ta konstrukcja jest szczególnie odpowiednia dla zastosowań EHV wymagających ograniczenia przejściowych wzrostów napięcia, ponieważ synergiczny efekt oporu i łuku umożliwia uporządkowane rozpraszanie energii elektromagnetycznej podczas przerwania.
Podsumowanie funkcji przełączania oporowego
Podsumowując, opornik na końcówkach wyłącznika może wykonywać jedno lub więcej z poniższych zadań:
Zmniejsza SRRV (Szybkość Wzrostu Napięcia Ponownego Zapłonu) na wyłączniku
Odprowadzając prąd łuku i przyspieszając dezjonizację kanału łuku, opornik tłumiony szybkość wzrostu przejściowego napięcia odzyskującego (TRV), ułatwiając obciążenie odzyskania siły dielektrycznej przez przerzutnik wyłącznika.
Tłumi wysokoczęstotliwościowe przejściowe przepięcia ponownego zapłonu podczas przełączania obciążeń indukcyjnych/pojemnościowych
Podczas przerwania indukcyjnych prądów (np. odsłonięte transformatory) lub pojemnościowych prądów (np. ładowanie kabli), opornik szunty ogranicza amplitudy oscylacyjnych przepięć przez rozpraszanie energii, zapobiegając ryzyku przepalenia izolacji.
Równomierzy rozkład TRV w wielostopniowych wyłącznikach
W wyłącznikach z wieloma lukami przerzucającymi, opornik zapewnia równomierne rozłożenie TRV między lukami kontaktowymi poprzez dzielenie napięcia, unikając ponownego zapłonu ze względu na skupienie napięcia w jednej luce.
Scenariusze, w których przełączanie oporowe nie jest konieczne
Konwencjonalne wyłączniki z niskim oporem połuku w przestrzeni kontaktowej (np. wyłączniki powietrzne średniego/niskiego napięcia) nie wymagają dodatkowych oporników szunty. Ich kanały łuku naturalnie dezjonizują się wystarczająco szybko, aby spełnić wymagania przerwania bez zewnętrznego oporu.
Analiza zasady technicznej
Kluczowa wartość przełączania oporowego leży w jego synergicznym mechanizmie „dopasowania impedancji – rozpraszanie energii – tłumienie oscylacji”, który kontroluje przejściowe stany w granicach wytrzymałości sprzętu. Ta technologia jest szczególnie kluczowa w systemach EHV (110kV i wyżej), skutecznie rozwiązując:
Te rozwiązania pokonują ograniczenia tradycyjnych metod gaszenia łuku w kontroli przejściowych przepięć.
