Voltatge de Recuperació Transitori (TRV) en la Interrupció de Corrents Inductives Petites per Mitjà de Interruptors
Anàlisi de fenòmens transitoris en sistemes lineals utilitzant el principi de superposició
En l'anàlisi dels fenòmens transitoris causats per operacions de commutació en sistemes lineals, el principi de superposició és una eina potent. Combinant la solució d'estat estacionari que existia abans de l'operació de circuit obert amb les respostes transitories induïdes per fonts de tensió de curt-circuit i fonts de corrent de circuit obert, i considerant la corrent injectada a través dels contactes de la llavadora, es pot obtenir una descripció completa del procés de commutació.
Anàlisi transitoria de les operacions de circuit obert
Durant una operació de circuit obert, la corrent que flueix a través dels terminals de la llavadora ha de tornar-se zero després de l'operació. Per tant, la corrent injectada al sistema ha de ser igual a la corrent que fluïa a través dels terminals de la llavadora abans de l'operació d'obertura. Quan els contactes de la llavadora comencen a separar-se, sorgeix immediatament una tensió de recuperació transitoria (TRV) entre els contactes. La TRV apareix immediatament després que la corrent arribi a zero i sovint dura mil·lisegons en sistemes reals. En sistemes de potència pràctics, les característiques de la TRV són crucials per al rendiment i la fiabilitat dels interruptors de circuit.
Importància de la tensió de recuperació transitoria (TRV)
Una comprensió exhaustiva dels fenòmens transitoris associats a les operacions dels interruptors de circuit en sistemes de potència pot millorar significativament les pràctiques de prova i augmentar la fiabilitat de l'equips de commutació. Les normes especifiquen valors característics recomanats per simular la TRV, que ajuden els enginyers a preveure i dissenyar millor el comportament dels dispositius de commutació.
Diferents tipus de commutació de circuits
El següent diagrama il·lustra la TRV als terminals de l'interruptor de circuit quan s'interromp la corrent en circuits molt simples. Cada cas resulta en ondulacions diferents, depenent de la naturalesa del circuit:
Càrrega resistiva: Per a càrregues purament resistives, la corrent cau a zero ràpidament després de l'operació de commutació, resultant en una ondulació de TRV relativament suau.
Càrrega inductiva: Per a càrregues inductives, la tensió a través de l'inductor arriba al seu valor màxim quan la corrent es converteix en zero. Com que l'inductor emmagatzema energia, que necessita dissipar-se a través d'altres components (com capacitadors), ocorren oscil·lacions. Aquestes oscil·lacions són causades per la transferència d'energia entre l'inductor i el capacitador.
Càrrega capacitiva: Per a càrregues capacitatives, la corrent disminueix gradualment després de l'operació de commutació, mentre que la tensió augmenta ràpidament. L'ondulació de TRV sovint mostra un pic de tensió que augmenta ràpidament.
Interrupció de corrents petites i fenòmens de tall de corrent
En els sistemes de potència, la interrupció de corrents petites pot conduir a fenòmens coneguts com a tall de corrent i tall virtual de corrent. Aquests fenòmens tenen un impacte significatiu en la tensió de recuperació transitoria (TRV) i poden resultar en sobretensions i problemes de reinici.
Interrupció normal vs. tall de corrent
Interrupció normal: Quan la corrent es interromp naturalment al seu punt de creuament zero, això és l'operació de commutació ideal. En aquest cas, la TRV normalment queda dins dels límits especificats, i no ocorren sobretensions ni reinicis.
Tall de corrent: Si la corrent es interromp prematurament abans d'arribar a zero, aquest fenomen s'anomena tall de corrent. La interrupció súbita de la corrent provoca la generació de sobretensions transitories, que poden causar reinicis de freqüència alta. Aquest tipus d'interrupció anormal suposa perillos potencials per a l'interruptor de circuit i el sistema.
Conseqüències del tall de corrent
Quan un interruptor de circuit interromp la corrent prop del seu píxel, la tensió augmenta gairebé instantàniament. Si aquesta sobretensió excedeix la resistència dielèctrica especificada per a l'interruptor de circuit, ocorre el reinici. Quan aquest procés es repeteix múltiples vegades, la tensió continua augmentant ràpidament degut al reinici de freqüència alta. Aquesta oscil·lació de freqüència alta està controlada pels paràmetres elèctrics del circuit associat, la configuració del circuit i el disseny de l'interruptor de circuit, conduint a un creuament zero abans que la corrent de freqüència real arribi a zero.
Diferència entre tall de corrent i tall virtual de corrent
Tall de corrent: Ocorre quan la corrent es interromp abans d'arribar a zero, resultant en sobretensió transitoria i reinici de freqüència alta.
Tall virtual de corrent: Succeeix quan la corrent es interromp just abans d'arribar a zero, encara que estigui molt proper a zero. Això encara pot causar sobretensió menor i reinici.
Comparació de la tensió de la càrrega lateral i la TRV
El següent diagrama compara la tensió de la càrrega lateral i la TRV en dos escenaris diferents:
Interrupció al punt de creuament zero de la corrent: En aquest cas, la tensió de la càrrega lateral augmenta de manera estable, i la TRV queda dins dels límits especificats, assegurant el funcionament normal del sistema.
Interrupció abans del punt de creuament zero de la corrent (tall de corrent): Aquí, la tensió de la càrrega lateral augmenta ràpidament, i la TRV augmenta significativament, potencialment conduint a sobretensions i reinici. Es clar que a partir d'aquest exemple, el segon escenari és més sever.
Importància de comprendre el tall de corrent
Per entendre millor l'impacte del tall de corrent, considera ignorar els efectes de les pèrdues de la càrrega lateral. Després que la corrent s'interromp al punt zero, l'energia emmagatzemada a la càrrega lateral està principalment en els capacitadors, on la tensió arriba al seu valor màxim. Tanmateix, si la corrent es talla abans d'arribar a zero, l'energia als capacitadors no pot dissipar-se completament, conduint a un augment ràpid de la tensió i subsequents problemes de sobretensió i reinici.
(a) Circuit equivalent. (b) Interrupció de l'arc al punt de creuament zero de la corrent. (c) Interrupció de l'arc abans del punt de creuament zero de la corrent.
Tall de corrent i fenòmens transitoris de freqüència alta
En el cas de tall de corrent, la instabilitat de l'arc prop del punt de creuament zero de la corrent pot conduir a corrents transitories de freqüència alta que flueixen cap a components de xarxa adjacents. Aquesta corrent de freqüència alta se superposa a la corrent de freqüència de potència més petita, que efectivament es talla a zero. Específicament:
Instabilitat de l'arc prop del punt de creuament zero de la corrent: Com la corrent s'apropa a zero, l'arc pot tornar-se inestable, generant corrents transitories de freqüència alta. Aquestes corrents se superposen a la corrent de freqüència de potència ja petita, complicant encara més la resposta transitoria del sistema.
Impacte de les corrents transitories de freqüència alta: La presència de corrents transitories de freqüència alta pot causar sobretensions i reinici, especialment en càrregues inductives. Degut als canvis ràpids d'aquestes corrents, poden produir punts de tensió extremadament alts en un temps curt, posant en perill els materials d'isolament del sistema.
Tall virtual de corrent i els seus efectes
En el cas de tall virtual de corrent, la instabilitat de l'arc es veu exacerbada per les oscil·lacions amb fases adjacents, provocant la generació de corrents de freqüència alta fins i tot abans que la corrent arribi a zero. Específicament:
Mecanisme de tall virtual de corrent: El tall virtual de corrent normalment ocorre quan la corrent està propera però encara no ha arribat a zero. En aquest moment, l'arc pot interactuar amb les oscil·lacions de les fases adjacents, resultant en la generació de corrents de freqüència alta. Això desestabilitza encara més el sistema i augmenta el risc de reinici.
Fenomen observat: El tall virtual de corrent s'ha observat en arcs gasosos en aire, SF6 i oli. Els arcs al buit també són molt sensibles al tall de corrent perquè l'arc en un entorn de buit és més susceptible a les condicions externes, conduint a una major inestabilitat.
Causa de tall i reinici
Els fenòmens de tall i reinici, juntament amb les sobretensions oscil·latòries de freqüència alta associades, es deuen principalment al disseny de l'interruptor de circuit. Específicament:
Disseny per a corrents de defecte altes: Els interruptors de circuit normalment estan dissenyats per gestionar corrents de defecte altes. Si el disseny es centra només en el rendiment eficaç per a corrents altes, també pot ser igualment eficaç per a corrents petites, intentant interrompre-les abans del seu creuament zero natural.
Conseqüències adverses: Aquest enfocament de disseny pot conduir a tall de corrent i reinici, resultant en sobretensions i altres efectes indesitjables. Per exemple, la sobretensió pot enderrocar l'isolament del sistema, conduint a fallides d'equip o reducció de la vida útil.
Optimització del disseny de l'interruptor de circuit
Per abordar eficientment tant corrents petites com grans, el disseny de l'interruptor de circuit hauria d'incorporar diverses característiques per assegurar un rendiment fiable en diverses condicions. Recomanacions específiques inclouen:
Equilibri de rendiment per a corrents petites i grans: El disseny de l'interruptor de circuit hauria de considerar tant corrents petites com grans, evitant una optimització excessiva per a un tipus a expenses de l'altre. Per exemple, ajustar els materials dels contactes, el disseny de la cambra d'extinció d'arc i les estratègies de control pot ajudar a equilibrar el rendiment en diferents nivells de corrent.
Reducció d'oscil·lacions de freqüència alta: El disseny hauria d'assolir la minimització d'oscil·lacions de freqüència alta, especialment prop del punt de creuament zero de la corrent. Això es pot aconseguir introduint elements d'amortització adequats o optimitzant els paràmetres del circuit per suprimir les corrents transitories de freqüència alta.
Millora del rendiment de l'isolament: Per gestionar les possibles sobretensions, el disseny de l'isolament de l'interruptor de circuit hauria de tenir una força dielèctrica suficient. La selecció de materials d'isolament de alt rendiment i l'optimització de l'estructura d'isolament pot assegurar un isolament fiable fins i tot en condicions extrems.
