Väliaikainen palautusjännite (TRV) pienien induktiivisten virtojen katkeamisessa sulkuilla
Väliaikaisilmiöiden analysointi lineaarisissa järjestelmissä superpositsioperiaatteen avulla
Vaihtosulkuoperaatioiden aiheuttamien väliaikaisilmiöiden analysoinnissa lineaarisissa järjestelmissä superpositsioperiaate on tehokas työkalu. Yhdistämällä sulkuoperaation ennen ollut vakiotila, lyhyysjännitteistä ja avoimista virtalähteistä aiheetut väliaikaistilavastaukset sekä sulun kautta injisoitu virta, voidaan saada täydellinen kuva vaihtosulkuoperaatiosta.
Avoimen kytkentän operaatioiden väliaikaistilavastauksen analyysi
Avoimen kytkentän operaation aikana sulun kautta kulkevan virtan on tultava nollaksi operaation jälkeen. Siksi järjestelmään injisoitava virta on yhtä suuri kuin sulun kautta kulkenut virta ennen avausta. Kun sulin alkaa erota, sulun välille muodostuu välittömästi väliaikaistilajännite (TRV). TRV ilmenee heti, kun virta tulee nollaksi, ja se kestää tavallisesti millisekunteja todellisissa järjestelmissä. Käytännön voimajärjestelmissä TRV:n ominaisuudet ovat keskeisiä sähkökytkentien toimivuuden ja luotettavuuden kannalta.
Väliaikaistilajännitteen (TRV) merkitys
Sähkökytkentien operaatioihin liittyvien väliaikaistilanteiden perusteellinen ymmärtäminen voi huomattavasti parantaa testauskäytäntöjä ja vahvistaa kytkentälaitteiden luotettavuutta. Standardit määrittelevät suositeltavat ominaisarvot TRV:n simuloimiseksi, mikä auttaa insinööreitä paremmin ennustamaan ja suunnittelemaan kytkentälaitteiden käyttäytymistä.
Eri kytkentätyypit
Seuraava kaavio havainnollistaa TRV:tä sähkökytkentän terminaalipisteissä, kun keskeytetään virtaa hyvin yksinkertaisissa piireissä. Jokainen tapaus johtaa erilaisiin aaltojen muotoihin riippuen piirin luonteesta:
Resistiivinen kuorma: Puhdasta resistiivistä kuormaa varten virta laskee nopeasti nollaksi kytkentäoperaation jälkeen, mikä johtaa suhteellisen tasaiseen TRV-aaltoon.
Induktiivinen kuorma: Induktiiviselle kuormalle induktorin jännite saavuttaa maksimiarvonsa, kun virta tulee nollaksi. Koska induktori säilyttää energiaa, joka täytyy levittää muiden komponenttien (kuten kondensaattorien) kautta, syntyy heilahteluja. Nämä heilahtelut johtuvat energian siirtymästä induktorista kondensaattoriin.
Kondensiivinen kuorma: Kondensiiviselle kuormalle virta laskee hitaammin kytkentäoperaation jälkeen, kun taas jännite nousee nopeasti. TRV-aalto näyttää yleensä nopeasti nousvaa jännitepulssia.
Pienien virtojen keskeyttäminen ja virtaleikkauksen ilmiöt
Voimajärjestelmissä pienien virtojen keskeyttäminen voi johtaa ilmiöihin, tunnettuina virtaleikkauksen ja virtuaalileikkauksen. Nämä ilmiöt vaikuttavat merkittävästi väliaikaistilajännitteeseen (TRV) ja voivat johtaa ylijännitteisiin ja uudelleen syttymiseen.
Normaali keskeyttäminen vs. virtaleikkauksen
Normaali keskeyttäminen: Kun virta keskeytetään luonnollisesti sen nollakohdassa, tämä on ideaalinen kytkentäoperaatio. Tällöin TRV pysyy yleensä määritellyn rajan sisällä, eikä ylijännitteitä tai uudelleen syttymistä tapahdu.
Virtaleikkauksen: Jos virta keskeytetään ennen kuin se saavuttaa nollan, tätä ilmiötä kutsutaan virtaleikkaukseksi. Virtan yhtäkkiökeskeyttäminen johtaa väliaikaisten ylijännitteiden muodostumiseen, mikä voi aiheuttaa korkeataajuista uudelleen syttymistä. Tämä poikkeuksellinen keskeyttäminen asettaa potentiaalisia riskejä sähkökytkentälle ja järjestelmälle.
Virtaleikkauksen seuraukset
Kun sähkökytkentä keskeyttää virtan lähellä sen huippua, jännite nousee lähes välittömästi. Jos tämä ylijännite ylittää sähkökytkentälle määritellyn dielektrisen vahvuuden, uudelleen syttyminen tapahtuu. Kun tämä prosessi toistuu useita kertoja, jännite jatkaa nopeaa nousua korkeatajuista uudelleen syttymistä. Tämä korkeatajuinen heilahtelu ohjataan liitetyn piirin sähköparametreilla, piirikonfiguraatiolla ja sähkökytkentän suunnittelulla, mikä johtaa nollakohdan saavuttamiseen ennen kuin todellinen virta tulee nollaksi.
Virtaleikkauksen ja virtuaalileikkauksen ero
Virtaleikkauksen: Ilmenee, kun virta keskeytetään ennen kuin se saavuttaa nollan, mikä johtaa väliaikaisten ylijännitteiden ja korkeatajuiseen uudelleen syttymiseen.
Virtuaalileikkauksen: Ilmenee, kun virta keskeytetään juuri ennen kuin se saavuttaa nollan, vaikka se on hyvin lähellä nollaa. Tämä voi edelleen aiheuttaa pieniä ylijännitteitä ja uudelleen syttymistä.
Kuormapuolen jännitteen ja TRV:n vertailu
Seuraava kaavio vertailee kuormapuolen jännitettä ja TRV:a kahdessa eri skenaariossa:
Keskeyttäminen virtan nollakohdassa: Tässä tapauksessa kuormapuolen jännite nousee tasaisesti, ja TRV pysyy määritellyn rajan sisällä, mikä takaa normaalin järjestelmän toiminnan.
Keskeyttäminen ennen virtan nollakohtaa (virtaleikkauksen): Tässä tapauksessa kuormapuolen jännite nousee nopeasti, ja TRV kasvaa merkittävästi, mikä voi johtaa ylijännitteisiin ja uudelleen syttymiseen. On selvää, että toinen skenaario on vakavampi.
Virtaleikkauksen ymmärtämisen merkitys
Virtaleikkauksen vaikutuksen paremman ymmärtämisen vuoksi, harkitse kuormapuolen häviöiden vaikutusten jättämistä huomiotta. Kun virta keskeytetään nollakohdassa, kuormapuolella varastoitun energia on pääasiassa kondensaattoreissa, jossa jännite saavuttaa maksimiarvonsa. Mutta jos virta leikataan ennen kuin se tulee nollaksi, kondensaattoreissa oleva energia ei voi vapautua kokonaan, mikä johtaa nopeaan jännitenenousuun ja sitä seuraaviin ylijännitteisiin ja uudelleen syttymiseen.
(a) Vastaanvara. (b) Kaaren keskeyttäminen virtan nollakohdassa. (c) Kaaren keskeyttäminen ennen virtan nollakohtaa.
Virtaleikkauksen ja korkeatajuisten väliaikaistilanteiden ilmiöt
Virtaleikkauksen tapauksessa kaaren epävakaus virtan nollakohdan lähellä voi johtaa korkeatajuisten väliaikaistilavirtojen syntyyn viereisiin verkkokomponentteihin. Tämä korkeatajuinen virta päällekkäin pienemmän virtatasovirtan kanssa, joka on tehokkaasti leikattu nollaksi. Erityisesti:
Kaaren epävakaus virtan nollakohdan lähellä: Kun virta lähestyy nollaa, kaari voi tulla epävakaaksi, mikä johtaa korkeatajuisten väliaikaistilavirtojen syntyyn. Nämä virtat päällekkäin jo pienellä virtatasovirtalla, mikä monimutkistaa järjestelmän väliaikaistilavastetta.
Korkeatajuisten väliaikaistilavirtojen vaikutus: Korkeatajuisten väliaikaistilavirtojen läsnäolo voi aiheuttaa ylijännitteitä ja uudelleen syttymistä, erityisesti induktiivisissa kuormissa. Näiden virtojen nopean muutoksen vuoksi ne voivat tuottaa äärimmäisen korkeita jännitehuipuja lyhyessä ajassa, mikä uhkaa järjestelmän eristyshyödykkeitä.
Virtuaalileikkauksen ja sen vaikutukset
Virtuaalileikkauksen tapauksessa kaaren epävakaus pahenee viereisten vaiheiden heilahtelujen kanssa, mikä johtaa korkeatajuisten virtojen syntyyn ennen kuin virta saavuttaa nollan. Erityisesti:
Virtuaalileikkauksen mekanismi: Virtuaalileikkauksen tapahtuu, kun virta on lähellä mutta ei ole vielä saavuttanut nollaa. Tässä vaiheessa kaari voi vuorovaikuttaa viereisten vaiheiden heilahtelujen kanssa, mikä johtaa korkeatajuisten virtojen syntyyn. Tämä lisää järjestelmän epävakautta ja lisää uudelleen syttymisen riskiä.
Havaittu ilmiö: Virtuaalileikkauksen on havaittu ilma-, SF6- ja öljykaareissa. Tyhjiökaaret ovat myös erittäin herkkiä virtaleikkaukselle, koska tyhjiöympäristössä oleva kaari on altis ulkoisille olosuhteille, mikä lisää epävakautta.
Leikkauksen ja uudelleen syttymisen syyt
Leikkauksen ja uudelleen syttymisen ilmiöt, sekä niiden korkeatajuiset heilahteluylijännitteet, johtuvat pääasiassa sähkökytkentän suunnittelusta. Erityisesti:
Suunnittelu korkeille virranpetoksille: Sähkökytkentät on yleensä suunniteltu käsittelemään korkeita virranpetoksia. Jos suunnitelma keskittyy vain korkeiden virtojen tehokkaaseen toimintaan, se voi olla yhtä tehokas pienille virtoille, yrittäen keskeyttää ne ennen luonnollista nollakohdata.
Negatiiviset seuraukset: Tämä suunnittelun lähestymistapa voi johtaa virtaleikkaukseen ja uudelleen syttymiseen, mikä aiheuttaa ylijännitteitä ja muita haluttomia vaikutuksia. Esimerkiksi ylijännitteet voivat vahingoittaa järjestelmän eristystä, mikä voi johtaa laitteiden vikaantumiseen tai elinkaaren pidentymiseen.
Sähkökytkentän suunnittelun optimointi
Tehokkaan käsittelyn sekä pieniä että suuria virtoja varten sähkökytkentän suunnitteluun tulisi sisällyttää useita ominaisuuksia, jotka varmistavat luotettavan toiminnan eri olosuhteissa. Erityisesti suositellaan:
Pienien ja suurten virtojen toiminnan tasapainottaminen: Sähkökytkentän suunnittelussa tulisi ottaa huomioon sekä pienet että suuret virrat, välttäen ylioptimointia yhden tyyppisen virran kustannuksella toisen tyyppisen virran kustannuksella. Esimerkiksi yhteyden materiaalien, kaarien sammutuskomponen teon ja ohjausstrategioiden säätäminen voi auttaa tasapainottamaan toimintaa eri virtatasoissa.
Korkeatajuisten heilahtelujen vähentäminen: Suunnittelun tulisi pyrkiä vähentämään korkeatajuisia heilahteluja, erityisesti virtan nollakohdan lähellä. Tätä voidaan saavuttaa sopivien dempauksen elementtien lisäämisellä tai piiriparametrien optimoinnilla, jolla rajoitetaan korkeatajuisten väliaikaistilavirtojen vaikutus.
Eristyksen toiminnan parantaminen: Mahdollisten ylijännitteiden hallitsemiseksi sähkökytkentän eristys on suunniteltava riittävällä dielektrisellä vahvuudella. Korkean suorituskykyisen eristysmateriaalien valitseminen ja eristysrakenteen optimointi varmistavat luotettavan eristystason jopa äärimmäisissä olosuhteissa.
