Brytarens motståndsswitching
Motståndsömsättning
Motståndsömsättning hänvisar till praktiken att ansluta en fast resistor parallellt med kontaktgapet eller bågen i en strömavbrytare. Denna teknik används i strömavbrytare med hög eftersparkssmittning i kontaktrummet, främst för att minska återantändningspanningar och överspänningsfluktuationer.
Allvarliga spänningsfluktuationer i elkraftsystem uppstår genom två huvudsakliga scenarier: avbrott av långsmärkt induktiv ström och brytning av kapacitiva strömmar. Sådana överspänningar utgör risker för systemets drift men kan effektivt hanteras genom motståndsömsättning – uppnådd genom att ansluta en resistor över strömavbrytarens kontakter.
Den underliggande principen innefattar att den parallella resistorn ledar en del av strömmen under avbrottet, vilket begränsar hastigheten av strömändring (di/dt) och dämpar ökningen av tillfällig återhämtningsspänning. Detta minskar inte bara sannolikheten för bågens återantändning utan ger också en mer effektiv energidissipation. Motståndsömsättning är särskilt viktig i extra-högspännings- (EHV) system för applikationer som är känsliga för brytningsöverspänningar, såsom avenergiserings av oladdade transmissionslinjer eller brytning av kondensatorbanker.
När ett fel uppstår öppnas strömavbrytarens kontakter, vilket initierar en båge mellan dem. När bågen shuntas av resistans R leder en del av bågströmmen genom resistorn, vilket minskar bågströmmen och accelererar deioniseringstalet i bågkanalen.
Detta utlöser en självförstärkande cykel: när bågens resistans ökar flödar mer ström genom shuntresistorn R, vilket ytterligare berövar bågen energi. Processen fortsätter tills strömmen faller under det kritiska tröskelvärdet för bågens upprätthållande (som visas i figuren nedan), vid vilket tidpunkt bågen släcks och strömavbrytaren framgångsrikt avbryter kretsen.
Mekanismen bygger på att shuntresistorn dynamiskt reglerar strömfördelningen, tvingar bågen in i en ondskefull cykel av "strömnedgång → accelererad deionisering → stigande bågresistans". Detta möjliggör snabb återhämtning av dielektrisk styrka i bågkanalen – ofta innan strömens nollpassage – vilket gör det särskilt effektivt för att dämpa högfrekventa återantändningsöverspänningar. Sådan funktionalitet är avgörande i EHV-strömavbrytare vid brytning av kapacitiva strömmar eller små induktiva strömmar.
Alternativt kan resistansen automatiskt aktiveras genom att överföra bågen från huvudkontakterna till sondkontakterna – som ses i axiella explosionsströmavbrytare – där detta inträffar inom en extremt kort tid. Genom att ersätta bågbanan med en metallisk väg begränsas strömmen som flödar genom resistansen, vilket möjliggör enkel avbrott.
Shuntresistorn spelar också en kritisk roll i att dämpa den oscillerande tillväxten av återantändningsvoltage-transienter. Matematiskt kan det bevisas att den naturliga frekvensen (fn) av oscillationer i den visade kretsen styrs av: introduktion av en resistiv komponent förbättrar kretsens dämpningskarakteristik, minskar amplituden av oscillationer och bromsar spänningstillväxten. Detta är analogt med att införa en dissipativ gren i en LC-oscillatorloop, vilket transformerar odämpade oscillationer till avtagande och förbättrar strömavbrytarens avbrottsstabilitet betydligt.
I axiella explosionskonfigurationer säkerställer den snabba bågöverföringen att resistorn engageras innan strömmen når noll, vilket ger dämpningskontroll vid början av den transienta processen. Denna design är särskilt lämplig för EHV-applikationer som kräver begränsning av brytningsöverspänningar, eftersom det samverkande effekten av resistans och båge möjliggör ordnad dissipation av elektromagnetisk energi under avbrottet.
Sammanfattning av motståndsömsättningens funktioner
Sammanfattningsvis kan en resistor över strömavbrytarens kontakter utföra en eller flera av följande funktioner:
Minskar HÖK (Hastighet av Ökning av Återantändningsvoltage) på strömavbrytaren
Genom att leda bort bågström och accelerera deioniseringen i bågkanalen dämpar resistorn hastigheten av tillfällig återhämtningsspänning (TRV), vilket lindrar belastningen på strömavbrytarens avbrottsdel.
Dämpar högfrekventa återantändningsvoltage-transienter vid brytning av induktiva/kapacitiva laster
Vid avbrott av induktiva strömmar (t.ex. oladdade transformatorer) eller kapacitiva strömmar (t.ex. laddande kablar) begränsar shuntresistorn amplituden av oscillerande överspänningar genom energidissipation, vilket förhindrar isolationsbrott.
Jämlikar TRV-fördelningen i flerbrytande strömavbrytare
I strömavbrytare med flera avbrottsgap säkerställer resistorn en jämn TRV-fördelning över kontaktklyftor via spänningsdelning, vilket undviker återantändning på grund av spänningskoncentration i något enskilt gap.
Scenarier där motståndsömsättning är onödig
Konventionella strömavbrytare med låg eftersparkssmittning i kontaktrummet (t.ex. medium/lågspänningsluftavbrytare) behöver inga ytterligare shuntresistorer. Deras bågkanaler deioniserar naturligt tillräckligt snabbt för att uppfylla avbrottskraven utan extern resistans.
Teknisk principanalys
Den kärnvärde av motståndsömsättning ligger i dess synergistiska mekanism av "impedansmatchning-energidissipation-dämpning av oscillationer", vilket kontrollerar brytningstransienter inom utrustningens uthållighetsgränser. Denna teknologi är särskilt kritisk i EHV-system (110kV och ovan), vilket effektivt hanterar:
Dessa lösningar övervinner begränsningarna hos traditionella arkutsläckningsmetoder i kontroll av transienta överspänningar.
