Преходно възстановително напрежение (TRV) при прекъсване на малки индуктивни токове от авт. предпазни устройства
Анализ на преходни явления в линейни системи чрез принципа на суперпозиция
При анализ на преходните явления, причинени от комутиращи операции в линейни системи, принципът на суперпозицията е мощен инструмент. Чрез комбиниране на стационарното решение, което съществуваше преди операцията с отворена верига, с преходните отговори, породени от източници на напрежение при кратко свързване и източници на ток при отворена верига, и като се вземе предвид токът, инжектиран през контактите на ключа, може да се получи пълно описание на процеса на комутиране.
Преходен анализ на операции с отворена верига
По време на операция с отворена верига, токът, протичащ през контактите на ключа, трябва да стане нула след операцията. Следователно, токът, инжектиран в системата, трябва да е равен на тока, който протичаше през контактите на ключа преди операцията. Когато контактите на ключа започнат да се разделят, незабавно се развива преходно възстановително напрежение (TRV) между контактите. TRV се появява незабавно след като токът достигне нула и обикновено продължава за милисекунди в реални системи. В практически електроенергийни системи, характеристиките на TRV са от решаващо значение за производителността и надеждността на прекъсвачите.
Значимостта на преходното възстановително напрежение (TRV)
Добро разбиране на преходните явления, свързани с операциите на прекъсвачите в електроенергийните системи, може значително да подобри тестовите практики и да повиши надеждността на комутиращото оборудване. Стандартите определят препоръчителни характеристични стойности за моделиране на TRV, които помагат на инженерите да по-добре прогнозират и проектират поведението на комутиращите устройства.
Различни видове комутиране на вериги
Следващата диаграма илюстрира TRV на контактите на прекъсвача при прекъсване на тока в много проста верига. Всяко конкретно случая води до различни вълнови форми, в зависимост от характера на веригата:
Резистивна нагрузка: За чисто резистивни нагрузки, токът бързо пада до нула след комутиращата операция, което води до относително гладка вълнова форма на TRV.
Индуктивна нагрузка: За индуктивни нагрузки, напрежението в индуктора достига максималната си стойност, когато токът става нула. Тъй като индукторът съхранява енергия, която трябва да се дисипира чрез други компоненти (например кондензатори), се появяват колебания. Тези колебания са причинени от прехвърлянето на енергия между индуктора и кондензатора.
Кондензаторна нагрузка: За кондензаторни нагрузки, токът бавно намалява след комутиращата операция, докато напрежението бързо нараства. Вълновата форма на TRV обикновено показва бързо нарастващ импулс на напрежението.
Прекъсване на малки токове и явление на „токово късване“
В електроенергийните системи, прекъсването на малки токове може да доведе до явления, известни като токово късване и виртуално късване. Тези явления имат значително влияние върху преходното възстановително напрежение (TRV) и могат да доведат до прекомерно напрежение и повторно възпламеняване.
Обикновено прекъсване vs. Токово късване
Обикновено прекъсване: Когато токът е прекъснат естествено в нулевата точка, това е идеалната комутираща операция. В този случай, TRV обикновено остава в рамките на зададените граници, и не се наблюдава прекомерно напрежение или повторно възпламеняване.
Токово късване: Ако токът е прекъснат преждевременно, преди да достигне нула, това явление се нарича токово късване. Бързото прекъсване на тока води до генериране на преходни прекомерни напрежения, които могат да причинят високочестотно повторно възпламеняване. Този тип аномално прекъсване представлява потенциална опасност за прекъсвача и системата.
Последствия от токовото късване
Когато прекъсвачът прекъсва тока близо до неговия пик, напрежението почти незабавно нараства. Ако това прекомерно напрежение надхвърли специфицираната диелектрична устойчивост за прекъсвача, повторно възпламеняване се случва. Когато този процес се повтаря многократно, напрежението продължава да нараства бързо поради високочестотното повторно възпламеняване. Това високочестотно колебание е контролирано от електрическите параметри на свързаната верига, конфигурацията на веригата и конструкцията на прекъсвача, водещо до нулева точка преди фактическият силови ток да достигне нула.
Разлика между токово късване и виртуално късване
Токово късване: Възниква, когато токът е прекъснат преди да достигне нула, водейки до преходно прекомерно напрежение и високочестотно повторно възпламеняване.
Виртуално късване: Съществува, когато токът е прекъснат точно преди да достигне нула, въпреки че е много близо до нула. Това все още може да причини малко прекомерно напрежение и повторно възпламеняване.
Сравнение на напрежението на страната на нагрузката и TRV
Следващата диаграма сравнява напрежението на страната на нагрузката и TRV в два различни сценария:
Прекъсване в нулевата точка на тока: В този случай, напрежението на страната на нагрузката нараства равномерно, а TRV остава в рамките на зададените граници, осигурявайки нормална работа на системата.
Прекъсване преди нулевата точка на тока (токово късване): Тук, напрежението на страната на нагрузката нараства бързо, а TRV значително увеличава, потенциално довеждайки до прекомерно напрежение и повторно възпламеняване. От този пример е ясно, че вторият сценарий е по-сериозен.
Значимостта на разбирането на токовото късване
За по-добро разбиране на влиянието на токовото късване, се приема, че се игнорират ефектите от загуби на страната на нагрузката. След прекъсването на тока в нулевата точка, енергията, съхранена на страната на нагрузката, е главно в кондензаторите, където напрежението достига максимална стойност. Но ако токът е къснат преди да достигне нула, енергията в кондензаторите не може да бъде напълно дисипирана, водейки до бързо нарастване на напрежението и последващи прекомерни напрежения и повторно възпламеняване.
(a) Еквивалентна верига. (b) Прекъсване на дъга в нулевата точка на тока. (c) Прекъсване на дъга преди нулевата точка на тока.
Токово късване и високочестотни преходни явления
В случая на токово късване, нестабилността на дъгата близо до нулевата точка на тока може да доведе до високочестотни преходни токове, протичащи в съседните компоненти на мрежата. Този високочестотен ток се наслоява върху по-малкия силови ток, който е ефективно къснат до нула. Конкретно:
Нестабилност на дъгата близо до нулевата точка на тока: Като токът се приближава до нула, дъгата може да стане нестабилна, генерирайки високочестотни преходни токове. Тези токове се наслояват върху вече малкия силови ток, допълнително усложнявайки преходния отговор на системата.
Ефектите от високочестотните преходни токове: Наличието на високочестотни преходни токове може да причини прекомерно напрежение и повторно възпламеняване, особено в индуктивни нагрузки. Поради бързите промени в тези токове, те могат да произведат изключително високи пики на напрежението за кратко време, представлявайки заплаха за диелектричните материали в системата.
Виртуално късване и неговите ефекти
В случая на виртуално късване, нестабилността на дъгата се засилва от колебания със съседни фази, водейки до генериране на високочестотни токове дори преди токът да достигне нула. Конкретно:
Механизъм на виртуалното късване: Виртуалното късване обикновено се случва, когато токът е близо до, но все още не е достигнал нула. В този момент, дъгата може да взаимодейства с колебанията от съседни фази, резултиращо в генериране на високочестотни токове. Това допълнително дестабилизира системата и увеличава риска от повторно възпламеняване.
Наблюдавано явление: Виртуалното късване е било наблюдено в газови дъги във въздух, SF6 и масло. Дъги в вакуум също са изключително чувствителни към токовото късване, тъй като дъгата във вакуумна среда е по-уязвима към външни условия, водейки до увеличена нестабилност.
Причини за късване и повторно възпламеняване
Явленията на късване и повторно възпламеняване, както и свързаните с тях високочестотни колебателни прекомерни напрежения, се дължат главно на конструкцията на прекъсвача. Конкретно:
Дизайн за високи аварийни токове: Прекъсвачите обикновено се проектират да се справят с високи аварийни токове. Ако дизайна се фокусира само върху ефективното представяне за високи токове, той може също така да бъде ефективен и за малки токове, опитвайки се да ги прекъсне преди естествената нулева точка.
Неблагоприятни последствия: Този подход в дизайна може да доведе до токово късване и повторно възпламеняване, резултиращо в прекомерно напрежение и други нежелани ефекти. Например, прекомерното напрежение може да повреди диелектричната изолация на системата, водейки до отказ на оборудването или намаляване на продължителността му.
Оптимизиране на дизайн на прекъсвачите
За ефективно справяне както с малки, така и с големи токове, дизайнът на прекъсвачите трябва да включи множество функции, за да гарантира надеждно представяне при различни условия. Конкретни препоръки включват:
Балансиране на представянето за малки и големи токове: Дизайнът на прекъсвачите трябва да вземе предвид както малките, така и големите токове, избягвайки прекомерна оптимизация за един вид на счета на друг. Например, коригирането на материалите на контактите, дизайна на камера за угасване на дъгата и стратегии за управление могат да помогнат за балансиране на представянето в различни нива на тока.
Намаляване на високочестотните колебания: Дизайнът трябва да се стреми да минимизира високочестотните колебания, особено близо до нулевата точка на тока. Това може да бъде постигнато чрез въвеждане на подходящи демпфери или оптимизиране на параметрите на веригата, за да се подавят високочестотните преходни токове.
Подобряване на изолационните характеристики: За справяне с потенциалните прекомерни напрежения, дизайнът на изолацията на прекъсвача трябва да има достатъчна диелектрична устойчивост. Изборът на високопроизводителни изолационни материали и оптимизиране на изолационната структура могат да гарантират надеждна изолация дори при екстремни условия.
