Vorübergehende Wiederherstellungsspannung (TRV) bei der Unterbrechung kleiner induktiver Ströme durch Schaltgeräte

Analyse von Übergangserscheinungen in linearen Systemen unter Verwendung des Superpositionsprinzips

Bei der Analyse von Übergangserscheinungen, die durch Schaltvorgänge in linearen Systemen verursacht werden, ist das Superpositionsprinzip ein mächtiges Werkzeug. Durch die Kombination der vor dem Offensichtschaltvorgang bestehenden stationären Lösung mit den durch Kurzschluss-Spannungsquellen und Offensicht-Stromquellen induzierten Übergangsantworten und der Berücksichtigung des durch die Schalterkontakte eingespeisten Stroms kann eine umfassende Beschreibung des Schaltvorgangs erhalten werden.

Übergangsanalyse von Offensichtschaltvorgängen

Während eines Offensichtschaltvorgangs muss der durch die Schalterkontakte fließende Strom nach dem Vorgang auf Null sinken. Daher muss der in das System eingespeiste Strom gleich dem Strom sein, der vor dem Öffnungsvorgang durch die Schalterkontakte floss. Sobald die Schalterkontakte beginnen, sich zu trennen, entwickelt sich sofort eine transiente Wiederherstellungsspannung (TRV) über den Kontakten. Die TRV tritt unmittelbar nachdem der Strom auf Null gesunken ist, auf und dauert in realen Systemen in der Regel Millisekunden. In praktischen Energieversorgungssystemen sind die Eigenschaften der TRV entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Schaltgeräten.

Bedeutung der transitorischen Wiederherstellungsspannung (TRV)

Ein gründliches Verständnis der mit Schaltvorgängen an Schaltgeräten in Energieversorgungssystemen verbundenen Übergangserscheinungen kann Praxis erheblich verbessern und die Zuverlässigkeit von Schalteinrichtungen erhöhen. Normen legen empfohlene Kennwerte zur Simulation der TRV fest, die Ingenieuren helfen, das Verhalten von Schaltelementen besser vorherzusagen und zu gestalten.

Verschiedene Arten von Schaltvorgängen

Die folgende Abbildung zeigt die TRV an den Anschlüssen des Schaltgeräts, wenn der Strom in sehr einfachen Schaltkreisen unterbrochen wird. Jeder Fall führt zu unterschiedlichen Wellenformen, abhängig von der Natur des Schaltkreises:

• Ohmsche Last: Bei rein ohmschen Lasten fällt der Strom nach dem Schaltvorgang schnell auf Null, was eine relativ glatte TRV-Wellenform zur Folge hat.

• Induktive Last: Bei induktiven Lasten erreicht die Spannung über dem Induktor ihren maximalen Wert, wenn der Strom auf Null fällt. Da der Induktor Energie speichert, die durch andere Bauteile (wie Kondensatoren) abgebaut werden muss, treten Oszillationen auf. Diese Oszillationen werden durch den Energieaustausch zwischen Induktor und Kondensator verursacht.

• Kapazitive Last: Bei kapazitiven Lasten nimmt der Strom nach dem Schaltvorgang allmählich ab, während die Spannung schnell ansteigt. Die TRV-Wellenform zeigt in der Regel einen schnellen Spannungspuls.

Unterbrechung kleiner Ströme und Stromanfallphänomene

In Energieversorgungssystemen kann die Unterbrechung kleiner Ströme zu Phänomenen wie Stromanfall und virtuellem Stromanfall führen. Diese Phänomene haben erhebliche Auswirkungen auf die transiente Wiederherstellungsspannung (TRV) und können zu Überspannungen und Wiedereinleuchtungen führen.

Normale Unterbrechung vs. Stromanfall

• Normale Unterbrechung: Wenn der Strom natürlich bei seinem Nulldurchgang unterbrochen wird, handelt es sich um den idealen Schaltvorgang. In diesem Fall bleibt die TRV in den vorgegebenen Grenzen, und es treten keine Überspannungen oder Wiedereinleuchtungen auf.

• Stromanfall: Wenn der Strom vor Erreichen des Nulldurchgangs unterbrochen wird, spricht man von einem Stromanfall. Die plötzliche Unterbrechung des Stroms führt zur Erzeugung transienter Überspannungen, die zu Hochfrequenz-Wiedereinleuchtungen führen können. Dieser Art von unnormaler Unterbrechung drohen potenzielle Gefahren für das Schaltgerät und das System.

Folgen des Stromanfalls

Wenn ein Schaltgerät den Strom nahe seines Spitzenwertes unterbricht, steigt die Spannung fast augenblicklich. Wenn diese Überspannung die für das Schaltgerät vorgesehene elektrische Festigkeit überschreitet, tritt Wiedereinleuchtung auf. Wenn dieser Prozess mehrmals wiederholt wird, steigt die Spannung weiterhin rasch aufgrund der Hochfrequenz-Wiedereinleuchtungen. Diese Hochfrequenz-Oszillation wird durch die elektrischen Parameter des zugehörigen Schaltkreises, die Schaltungskonfiguration und das Design des Schaltgeräts kontrolliert, was zu einem Nulldurchgang führt, bevor der tatsächliche Netzstrom auf Null fällt.

Unterschied zwischen Stromanfall und virtuellem Stromanfall

• Stromanfall: Trifft ein, wenn der Strom vor Erreichen des Nulldurchgangs unterbrochen wird, was zu transienten Überspannungen und Hochfrequenz-Wiedereinleuchtungen führt.

• Virtueller Stromanfall: Trifft ein, wenn der Strom kurz vor Erreichen des Nulldurchgangs, obwohl er sehr nahe an Null ist, unterbrochen wird. Dies kann noch zu geringfügigen Überspannungen und Wiedereinleuchtungen führen.

Vergleich der Lastseitesspannung und TRV

Die folgende Abbildung vergleicht die Lastseitesspannung und TRV unter zwei verschiedenen Szenarien:

1. Unterbrechung am Nulldurchgang des Stroms: In diesem Fall steigt die Lastseitesspannung stetig, und die TRV bleibt innerhalb der vorgegebenen Grenzen, wodurch ein normales Systembetrieb gewährleistet wird.

2. Unterbrechung vor dem Nulldurchgang des Stroms (Stromanfall): Hier steigt die Lastseitesspannung schnell, und die TRV erhöht sich erheblich, was potenziell zu Überspannungen und Wiedereinleuchtungen führen kann. Es ist aus diesem Beispiel klar, dass das zweite Szenario schwerwiegender ist.

Bedeutung des Verständnisses des Stromanfalls

Um die Auswirkungen des Stromanfalls besser zu verstehen, betrachten wir die Auswirkungen der Lastseite-Verluste. Nach der Unterbrechung des Stroms am Nulldurchgang befindet sich die auf der Lastseite gespeicherte Energie hauptsächlich in den Kondensatoren, wo die Spannung ihren maximalen Wert erreicht. Wenn jedoch der Strom vor Erreichen des Nulldurchgangs unterbrochen wird, kann die in den Kondensatoren gespeicherte Energie nicht vollständig abgebaut werden, was zu einem schnellen Spannungsanstieg und anschließenden Überspannungen und Wiedereinleuchtungen führt.

(a) Äquivalenter Schaltkreis. (b) Bogenunterbrechung am Nulldurchgang des Stroms. (c) Bogenunterbrechung vor dem Nulldurchgang des Stroms.

Stromanfall und hochfrequente transiente Phänomene

Im Falle eines Stromanfalls kann die Instabilität des Bogens in der Nähe des Nulldurchgangs des Stroms zu hochfrequenten transienten Strömen führen, die in benachbarte Netzwerkkomponenten fließen. Dieser hochfrequente Strom überlagert den bereits kleinen Netzstrom, der effektiv auf Null gekürzt wird. Genauer:

• Bogeninstabilität in der Nähe des Nulldurchgangs des Stroms: Als der Strom auf Null geht, kann der Bogen instabil werden und hochfrequente transiente Ströme erzeugen. Diese Ströme überlagern den bereits kleinen Netzstrom, was die transiente Antwort des Systems weiter kompliziert.

• Auswirkungen hochfrequenter transienter Ströme: Die Anwesenheit hochfrequenter transienter Ströme kann zu Überspannungen und Wiedereinleuchtungen, insbesondere bei induktiven Lasten, führen. Aufgrund der schnellen Änderungen dieser Ströme können sie in kurzer Zeit extrem hohe Spannungsspitzen erzeugen, was eine Bedrohung für die Isoliermaterialien im System darstellt.

Virtueller Stromanfall und seine Auswirkungen

Im Falle eines virtuellen Stromanfalls wird die Bogeninstabilität durch Oszillationen mit benachbarten Phasen verstärkt, was zur Erzeugung hochfrequenter Ströme führt, bevor der Strom auf Null fällt. Genauer:

• Mechanismus des virtuellen Stromanfalls: Virtueller Stromanfall tritt typischerweise auf, wenn der Strom nahe, aber noch nicht Null ist. In diesem Moment kann der Bogen mit Oszillationen aus benachbarten Phasen interagieren, was zur Erzeugung hochfrequenter Ströme führt. Dies destabilisiert das System weiter und erhöht das Risiko von Wiedereinleuchtungen.

• Beobachtetes Phänomen: Virtueller Stromanfall wurde in gasförmigen Bögen in Luft, SF6 und Öl beobachtet. Vakuumbögen sind ebenfalls sehr empfindlich gegenüber Stromanfällen, da der Bogen in einer Vakuumumgebung anfälliger für externe Bedingungen ist, was zu erhöhter Instabilität führt.

Ursachen von Stromanfällen und Wiedereinleuchtungen

Die Phänomene Stromanfall und Wiedereinleuchtung sowie die damit verbundenen hochfrequenten oszillatorischen Überspannungen werden hauptsächlich dem Design des Schaltgeräts zugeschrieben. Genauer:

• Design für hohe Fehlerströme: Schaltgeräte sind in der Regel so konzipiert, dass sie hohe Fehlerströme bewältigen können. Wenn das Design ausschließlich auf die effektive Leistung bei hohen Strömen ausgelegt ist, kann es auch für kleine Ströme effektiv sein und versuchen, diese vor ihrem natürlichen Nulldurchgang zu unterbrechen.

• Negative Folgen: Dieser Designansatz kann zu Stromanfällen und Wiedereinleuchtungen führen, was zu Überspannungen und anderen unerwünschten Effekten führt. Zum Beispiel können Überspannungen die Isolierung des Systems beschädigen, was zu Geräteschäden oder verkürzter Lebensdauer führen kann.

Optimierung des Designs von Schaltgeräten

Um sowohl kleine als auch große Ströme effektiv zu behandeln, sollte das Design von Schaltgeräten mehrere Merkmale einbeziehen, um eine zuverlässige Leistung unter verschiedenen Bedingungen zu gewährleisten. Spezifische Empfehlungen umfassen:

• Ausgewogene Leistung für kleine und große Ströme: Das Design von Schaltgeräten sollte sowohl kleine als auch große Ströme berücksichtigen und die Überoptimierung für eine Art auf Kosten der anderen vermeiden. Beispielsweise können Anpassungen der Kontaktmaterialien, des Bogenlöschkammerdesigns und der Steuerstrategien dazu beitragen, die Leistung bei verschiedenen Stromniveaus auszugleichen.

• Reduzierung hochfrequenter Oszillationen: Das Design sollte darauf abzielen, hochfrequente Oszillationen, insbesondere in der Nähe des Nulldurchgangs des Stroms, zu minimieren. Dies kann durch die Einführung geeigneter Dämpfungselemente oder die Optimierung der Schaltkreisparameter zur Unterdrückung hochfrequenter transienter Ströme erreicht werden.

• Verbesserung der Isolierleistung: Um mögliche Überspannungen zu bewältigen, sollte das Isolationsdesign des Schaltgeräts eine ausreichende elektrische Festigkeit aufweisen. Die Auswahl hochleistungsfähiger Isoliermaterialien und die Optimierung der Isolierstruktur können eine zuverlässige Isolierung selbst unter extremen Bedingungen sicherstellen.