فولتی گذراى بازیابی (TRV) در قطع جریان‌های القایی کوچک توسط برش‌مدارها

استفاده از اصل جمع برای تحلیل پدیده‌های موقت در سیستم‌های خطی

در تحلیل پدیده‌های موقت ناشی از عملیات تغییر حالت در سیستم‌های خطی، اصل جمع ابزار قدرتمندی است. با ترکیب راه حل حالت ماندگار که قبل از عملیات باز شدن وجود داشته با راه حل‌های موقت ناشی از منابع ولتاژ باز و منابع جریان باز، و در نظر گرفتن جریان تزریق شده از طریق تماس‌های کلید، توصیف کاملی از فرآیند تغییر حالت به دست می‌آید.

تحلیل پدیده‌های موقت در عملیات باز شدن

در طول عملیات باز شدن، جریان عبوری از انتهای کلید باید پس از عملیات به صفر برسد. بنابراین، جریان تزریق شده به سیستم باید برابر با جریانی باشد که قبل از عملیات باز شدن از انتهای کلید می‌گذشت. هنگامی که تماس‌های کلید شروع به جدا شدن می‌کنند، ولتاژ بازیابی موقت (TRV) بلافاصله در دو سمت تماس‌ها ظاهر می‌شود. TRV بلافاصله بعد از رسیدن جریان به صفر ظاهر می‌شود و معمولاً چند میلی‌ثانیه در سیستم‌های واقعی مداوم می‌ماند. در سیستم‌های قدرت عملی، مشخصات TRV برای عملکرد و قابلیت اطمینان دستگاه‌های قطع کننده بسیار مهم است.

اهمیت ولتاژ بازیابی موقت (TRV)

فهم عمیق از پدیده‌های موقت مرتبط با عملیات قطع کننده‌ها در سیستم‌های قدرت می‌تواند به طور قابل توجهی رویه‌های آزمون را بهبود بخشد و قابلیت اطمینان تجهیزات تغییر حالت را افزایش دهد. استانداردها مقادیر مشخصه توصیه شده برای شبیه‌سازی TRV را تعیین می‌کنند که به مهندسان کمک می‌کند تا رفتار دستگاه‌های تغییر حالت را بهتر پیش‌بینی و طراحی کنند.

انواع مختلف تغییر حالت مدار

نمودار زیر TRV در انتهای قطع کننده را نشان می‌دهد وقتی که جریان در مدارهای بسیار ساده قطع می‌شود. هر مورد نتیجه موج‌های مختلفی را دارد، بسته به ماهیت مدار:

• بار مقاومتی: برای بارهای خالص مقاومتی، جریان پس از عملیات تغییر حالت به سرعت به صفر می‌رسد که نتیجه آن موج TRV نسبتاً هموار است.

• بار القایی: برای بارهای القایی، ولتاژ در القاگر وقتی که جریان به صفر می‌رسد به حداکثر مقدار خود می‌رسد. چون القاگر انرژی ذخیره می‌کند که باید از طریق مؤلفه‌های دیگر (مانند خازنه) تبدیل شود، نوساناتی ایجاد می‌شود. این نوسانات ناشی از انتقال انرژی بین القاگر و خازنه است.

• بار خازنه‌ای: برای بارهای خازنه‌ای، جریان پس از عملیات تغییر حالت به تدریج کاهش می‌یابد، در حالی که ولتاژ به سرعت افزایش می‌یابد. موج TRV معمولاً نمایانگر یک پالس ولتاژ سریع بالا می‌باشد.

قطع جریان کوچک و پدیده‌های قطع و مجازی

در سیستم‌های قدرت، قطع جریان‌های کوچک می‌تواند به پدیده‌هایی معروف به قطع جریان و قطع مجازی منجر شود. این پدیده‌ها تأثیرات قابل توجهی بر ولتاژ بازیابی موقت (TRV) دارند و می‌توانند منجر به ولتاژ بیش از حد و بازسوزی شوند.

قطع عادی در مقابل قطع جریان

• قطع عادی: وقتی که جریان در نقطه صفر عبوری طبیعی قطع می‌شود، این عملیات تغییر حالت ایده‌آل است. در این حالت، TRV معمولاً در محدوده مشخص شده باقی می‌ماند و ولتاژ بیش از حد یا بازسوزی اتفاق نمی‌افتد.

• قطع جریان: اگر جریان قبل از رسیدن به صفر قطع شود، این پدیده قطع جریان نامیده می‌شود. قطع ناگهانی جریان منجر به ایجاد ولتاژ بیش از حد موقت می‌شود که می‌تواند بازسوزی با فرکانس بالا را ایجاد کند. این نوع قطع غیرطبیعی خطراتی برای قطع کننده و سیستم ایجاد می‌کند.

پیامدهای قطع جریان

وقتی که قطع کننده جریان را نزدیک به حداکثر خود قطع می‌کند، ولتاژ تقریباً بلافاصله افزایش می‌یابد. اگر این ولتاژ بیش از حد از مقاومت الکتریکی مشخص شده برای قطع کننده بیشتر باشد، بازسوزی اتفاق می‌افتد. وقتی این فرآیند چندین بار تکرار شود، ولتاژ به سرعت به دلیل بازسوزی با فرکانس بالا افزایش می‌یابد. این نوسان با فرکانس بالا توسط پارامترهای الکتریکی مدار مربوطه، تنظیمات مدار و طراحی قطع کننده کنترل می‌شود که منجر به عبور از صفر قبل از رسیدن جریان فرکانس توانی به صفر می‌شود.

تفاوت بین قطع جریان و قطع مجازی

• قطع جریان: زمانی رخ می‌دهد که جریان قبل از رسیدن به صفر قطع شود، که منجر به ولتاژ بیش از حد موقت و بازسوزی با فرکانس بالا می‌شود.

• قطع مجازی: زمانی رخ می‌دهد که جریان دقیقاً قبل از رسیدن به صفر قطع شود، اگرچه بسیار نزدیک به صفر است. این می‌تواند بازسوزی و ولتاژ بیش از حد کوچکی ایجاد کند.

مقایسه ولتاژ بار و TRV

نمودار زیر ولتاژ بار و TRV را در دو سناریو مختلف مقایسه می‌کند:

1. قطع در نقطه صفر جریان: در این حالت، ولتاژ بار به تدریج افزایش می‌یابد و TRV در محدوده مشخص شده باقی می‌ماند، که عملکرد عادی سیستم را تضمین می‌کند.

2. قطع قبل از نقطه صفر جریان (قطع جریان): در اینجا، ولتاژ بار به سرعت افزایش می‌یابد و TRV به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد که ممکن است منجر به ولتاژ بیش از حد و بازسوزی شود. واضح است که دومین سناریو شدیدتر است.

اهمیت درک قطع جریان

برای درک بهتر تأثیر قطع جریان، می‌توان اثرات زیان‌های بار را نادیده گرفت. پس از قطع جریان در نقطه صفر، انرژی ذخیره شده در بخش بار عمدتاً در خازنه‌ها است که ولتاژ به حداکثر مقدار خود می‌رسد. اما اگر جریان قبل از رسیدن به صفر قطع شود، انرژی در خازنه‌ها نمی‌تواند به طور کامل تبدیل شود که منجر به افزایش سریع ولتاژ و مسائل ولتاژ بیش از حد و بازسوزی می‌شود.

(a) مدار هم‌ارز. (b) قطع قوس در نقطه صفر جریان. (c) قطع قوس قبل از نقطه صفر جریان.

قطع جریان و پدیده‌های موقت با فرکانس بالا

در مورد قطع جریان، ناپایداری قوس نزدیک به نقطه صفر جریان می‌تواند منجر به جریان‌های موقت با فرکانس بالا در مؤلفه‌های شبکه مجاور شود. این جریان با فرکانس بالا بر روی جریان فرکانس توانی کوچک‌تر که به طور موثر به صفر قطع شده است، اضافه می‌شود. به طور خاص:

• ناپایداری قوس نزدیک به نقطه صفر جریان: هنگامی که جریان به صفر نزدیک می‌شود، قوس ممکن است ناپایدار شود و جریان‌های موقت با فرکانس بالا ایجاد کند. این جریان‌ها بر روی جریان فرکانس توانی کوچک‌تر اضافه می‌شوند و پاسخ موقت سیستم را پیچیده‌تر می‌کنند.

• تأثیر جریان‌های موقت با فرکانس بالا: وجود جریان‌های موقت با فرکانس بالا می‌تواند منجر به ولتاژ بیش از حد و بازسوزی شود، به ویژه در بارهای القایی. به دلیل تغییرات سریع این جریان‌ها، می‌توانند به طور بسیار سریع ولتاژ بیش از حد ایجاد کنند که تهدیدی برای مواد عایقی در سیستم است.

قطع مجازی و اثرات آن

در مورد قطع مجازی، ناپایداری قوس توسط نوسانات با فازهای مجاور تشدید می‌شود که منجر به ایجاد جریان‌های با فرکانس بالا حتی قبل از رسیدن جریان به صفر می‌شود. به طور خاص:

• مکانیسم قطع مجازی: قطع مجازی معمولاً زمانی رخ می‌دهد که جریان نزدیک به صفر است اما هنوز به آن نرسیده است. در این نقطه، قوس ممکن است با نوسانات از فازهای مجاور تعامل کند که منجر به ایجاد جریان با فرکانس بالا می‌شود. این موجب ناپایداری بیشتر سیستم و افزایش خطر بازسوزی می‌شود.

• پدیده مشاهده شده: قطع مجازی در قوس‌های گازی در هوا، SF6 و روغن مشاهده شده است. قوس‌های خلاء نیز بسیار حساس به قطع جریان هستند چون قوس در محیط خلاء بیشتر تحت تأثیر شرایط خارجی است که منجر به ناپایداری بیشتر می‌شود.

دلایل قطع و بازسوزی

پدیده‌های قطع و بازسوزی، همراه با ولتاژ بیش از حد نوسانی با فرکانس بالا، عمدتاً به طراحی قطع کننده برمی‌گردد. به طور خاص:

• طراحی برای جریان‌های خطای بالا: قطع کننده‌ها معمولاً طراحی شده‌اند تا جریان‌های خطای بالا را مدیریت کنند. اگر طراحی فقط بر عملکرد موثر برای جریان‌های بالا تمرکز کند، ممکن است برای جریان‌های کوچک نیز به طور موثر عمل کند و تلاش کند آن‌ها را قبل از عبور از صفر قطع کند.

• پیامدهای نامطلوب: این رویکرد طراحی می‌تواند منجر به قطع جریان و بازسوزی شود که نتیجه آن ولتاژ بیش از حد و اثرات دیگر نامطلوب است. به عنوان مثال، ولتاژ بیش از حد می‌تواند عایق سیستم را خراب کند و منجر به خرابی تجهیزات یا کوتاه شدن عمر مفید آن‌ها شود.

بهینه‌سازی طراحی قطع کننده

برای مدیریت موثر هر دو نوع جریان کوچک و بزرگ، طراحی قطع کننده باید شامل ویژگی‌های متعددی باشد تا عملکرد قابل اعتماد را در شرایط مختلف تضمین کند. توصیه‌های خاص شامل موارد زیر است:

• تعادل عملکرد برای جریان‌های کوچک و بزرگ: طراحی قطع کننده باید هر دو نوع جریان را در نظر بگیرد و از بهینه‌سازی بیش از حد برای یک نوع در مضرت دیگری اجتناب کند. به عنوان مثال، تنظیم مواد تماس، طراحی کامره خاموش‌کننده قوس و استراتژی‌های کنترل می‌تواند به تعادل عملکرد در سطوح مختلف جریان کمک کند.

• کاهش نوسانات با فرکانس بالا: طراحی باید به کاهش نوسانات با فرکانس بالا، به ویژه نزدیک به نقطه صفر جریان، هدف داشته باشد. این می‌تواند با معرفی عناصر میرایی مناسب یا بهینه‌سازی پارامترهای مدار برای سرکوب جریان‌های موقت با فرکانس بالا انجام شود.

• افزایش عملکرد عایقی: برای مدیریت ولتاژ بیش از حد بالقوه، طراحی عایقی قطع کننده باید دارای مقاومت الکتریکی کافی باشد. انتخاب مواد عایقی با عملکرد بالا و بهینه‌سازی ساختار عایقی می‌تواند اطمینان از عایقی کافی حتی در شرایط بحرانی را تضمین کند.