Voltaxe de Recuperación Transitoria (TRV) na Interrupción de Correntes Inductivas Pequenas por Interruptores Automáticos
Análise de Fenómenos Transitorios en Sistemas Lineais Usando o Princípio da Superposición
Ao analizar os fenómenos transitorios causados por operacións de conmutación en sistemas lineais, o principio da superposición é unha ferramenta poderosa. Combinando a solución de estado estacionario que existía antes da operación de circuito aberto coas respostas transitorias inducidas por fuentes de tensión de curto circuito e fuentes de corrente de circuito aberto, e tendo en conta a corrente inxectada a través dos contactos do interruptor, pode obterse unha descripción comprensiva do proceso de conmutación.
Análise Transitoria de Operacións de Circuito Aberto
Durante unha operación de circuito aberto, a corrente que fluye a través dos terminais do interruptor debe ser cero despois da operación. Polo tanto, a corrente inxectada no sistema debe ser igual á corrente que fluía a través dos terminais do interruptor antes da operación de apertura. Cando os contactos do interruptor comezan a separarse, desenvólvese inmediatamente unha tensión de recuperación transitoria (TRV) entre os contactos. A TRV aparece inmediatamente despois de que a corrente chega a cero e xeralmente dura millisecondos en sistemas reais. Nas instalacións eléctricas prácticas, as características da TRV son cruciais para o rendemento e a fiabilidade dos interruptores.
Importancia da Tensión de Recuperación Transitoria (TRV)
Unha comprensión profunda dos fenómenos transitorios asociados coas operacións dos interruptores nas instalacións eléctricas pode mellorar significativamente as prácticas de proba e aumentar a fiabilidade do equipo de conmutación. As normas especifican valores característicos recomendados para simular a TRV, que axudan aos enxeñeiros a prever e deseñar mellor o comportamento dos dispositivos de conmutación.
Diferentes Tipos de Conmutación de Circuitos
O seguinte diagrama ilustra a TRV nos terminais do interruptor ao interromper a corrente en circuitos moi simples. Cada caso resulta en diferentes formas de onda, dependendo da natureza do circuito:
Carga Resistiva: Para cargas puramente resistivas, a corrente descé a cero rapidamente despois da operación de conmutación, resultando nunha forma de onda de TRV relativamente suave.
Carga Inductiva: Para cargas inductivas, a tensión a través do inductor alcanza o seu valor máximo cando a corrente chega a cero. Como o inductor almacena enerxía, que necesita dissiparse a través de outros componentes (como condensadores), ocorren oscilacións. Estas oscilacións son causadas pola transferencia de enerxía entre o inductor e o condensador.
Carga Capacitiva: Para cargas capacitivas, a corrente diminúe gradualmente despois da operación de conmutación, mentres que a tensión aumenta rapidamente. A forma de onda de TRV xeralmente presenta un pulso de tensión de rápido aumento.
Interrupción de Correntes Pequenas e Fenómenos de Cortado de Corrente
Nas instalacións eléctricas, a interrupción de correntes pequenas pode levar a fenómenos coñecidos como cortado de corrente e cortado virtual. Estes fenómenos teñen impactos significativos na tensión de recuperación transitoria (TRV) e poden resultar en sobretensións e problemas de reinicio.
Interrupción Normal vs. Cortado de Corrente
Interrupción Normal: Cando a corrente se interrompe naturalmente no punto de cruce a cero, esta é a operación de conmutación ideal. Neste caso, a TRV xeralmente permanece dentro dos límites especificados, e non ocorre sobretensión nin reinicio.
Cortado de Corrente: Se a corrente se interrompe prematuramente antes de chegar a cero, este fenómeno chámase cortado de corrente. A interrupción súbita da corrente leva á xeración de sobretensións transitorias, que poden causar reinicios de alta frecuencia. Este tipo de interrupción anómala supón potenciais perigos para o interruptor e o sistema.
Consecuencias do Cortado de Corrente
Cando un interruptor interrompe a corrente cerca do seu pico, a tensión aumenta case instantaneamente. Se esta sobretensión excede a resistencia dieléctrica especificada para o interruptor, ocorre o reinicio. Cando este proceso se repite múltiples veces, a tensión continua aumentando rapidamente debido ao reinicio de alta frecuencia. Esta oscilación de alta frecuencia está controlada polos parámetros eléctricos do circuito asociado, a configuración do circuito e o deseño do interruptor, levando a un cruce a cero antes de que a corrente de frecuencia real alcance cero.
Diferenza Entre Cortado de Corrente e Cortado Virtual
Cortado de Corrente: Ocorre cando a corrente se interrompe antes de chegar a cero, resultando en sobretensión transitoria e reinicio de alta frecuencia.
Cortado Virtual: Ocorre cando a corrente se interrompe xusto antes de chegar a cero, aínda que estea moi preto de cero. Isto pode causar unha leve sobretensión e reinicio.
Comparación da Tensión do Lado de Carga e a TRV
O seguinte diagrama compara a tensión do lado de carga e a TRV baixo dous escenarios diferentes:
Interrupción no Punto de Corrente Cero: Neste caso, a tensión do lado de carga aumenta de maneira constante, e a TRV permanece dentro dos límites especificados, asegurando o funcionamento normal do sistema.
Interrupción Antes do Punto de Corrente Cero (Cortado de Corrente): Aquí, a tensión do lado de carga aumenta rapidamente, e a TRV aumenta significativamente, podendo levar a sobretensións e reinicios. É claro neste exemplo que o segundo escenario é máis grave.
Importancia de Comprender o Cortado de Corrente
Para entender mellor o impacto do cortado de corrente, considérese ignorar os efectos das perdas do lado de carga. Despois de que a corrente se interrompe no punto de cero, a enerxía almacenada no lado de carga está principalmente nos condensadores, onde a tensión alcanza o seu valor máximo. Pero, se a corrente se corta antes de chegar a cero, a enerxía nos condensadores non pode disiparse completamente, levando a un rápido aumento da tensión e subsecuentes problemas de sobretensión e reinicio.
(a) Circuíto Equivalente. (b) Interrupción do Arco no Punto de Corrente Cero. (c) Interrupción do Arco Antes do Punto de Corrente Cero.
Cortado de Corrente e Fenómenos Transitorios de Alta Frecuencia
No caso do cortado de corrente, a inestabilidade do arco preto do punto de corrente cero pode levar a correntes transitorias de alta frecuencia que fluían a componentes adxacentes da rede. Esta corrente de alta frecuencia superpónse sobre a menor corrente de frecuencia real, que efectivamente se corta a cero. Específicamente:
Inestabilidade do Arco Preto do Punto de Corrente Cero: Cando a corrente se aproxima a cero, o arco pode volverse inestable, xerando correntes transitorias de alta frecuencia. Estas correntes superpónense sobre a xa pequena corrente de frecuencia real, complicando aínda máis a resposta transitoria do sistema.
Impacto das Correntes Transitorias de Alta Frecuencia: A presencia de correntes transitorias de alta frecuencia pode causar sobretensións e reinicios, especialmente en cargas inductivas. Debido aos rápidos cambios nestas correntes, poden producir picos de tensión extremadamente altos en pouco tempo, supoñendo unha ameaza para os materiais de aislamento do sistema.
Cortado Virtual e os seus Efectos
No caso do cortado virtual, a inestabilidade do arco agrávase por oscilacións con fases adxacentes, levando á xeración de correntes de alta frecuencia incluso antes de que a corrente chegue a cero. Específicamente:
Mecanismo de Cortado Virtual: O cortado virtual xeralmente ocorre cando a corrente está preto pero non chegou a cero. Nese momento, o arco pode interactuar con oscilacións de fases adxacentes, resultando na xeración de correntes de alta frecuencia. Esto aínda máis desestabiliza o sistema e aumenta o risco de reinicio.
Fenómeno Observado: O cortado virtual foi observado en arcos gaseosos no aire, SF6 e óleo. Os arcos no vacío tamén son altamente sensibles ao cortado de corrente porque o arco no ambiente de vacío é máis susceptible a condicións externas, levando a unha maior inestabilidade.
Causas do Cortado e Reinicio
Os fenómenos de cortado e reinicio, xunto cos sobretensións oscilatorias de alta frecuencia asociadas, debense principalmente ao deseño do interruptor. Específicamente:
Deseño para Correntes de Fallo Altas: Os interruptores xeralmente están deseñados para manexar correntes de fallo altas. Se o deseño se centra só no rendemento eficaz para correntes altas, tamén pode ser igualmente eficaz para correntes pequenas, intentando interrompelas antes do seu cruce natural a cero.
Consecuencias Adversas: Este enfoque de deseño pode levar a cortado de corrente e reinicio, resultando en sobretensións e outros efectos indeseables. Por exemplo, a sobretensión pode danar o aislamento do sistema, levando a fallos de equipos ou a unha vida útil reducida.
Optimización do Deseño do Interruptor
Para abordar eficazmente correntes pequenas e grandes, o deseño do interruptor debe incorporar múltiples características para asegurar un rendemento fiable en varias condicións. Recomendacións específicas inclúen:
Equilibrio de Rendemento para Correntes Pequenas e Grandes: O deseño do interruptor debe considerar tanto correntes pequenas como grandes, evitando a optimización excesiva dun tipo a expensas do outro. Por exemplo, axustar os materiais de contacto, o deseño da cámara de extinción de arco e as estratexias de control pode axudar a equilibrar o rendemento a nivel de diferentes correntes.
Redución de Oscilacións de Alta Frecuencia: O deseño debe buscar minimizar as oscilacións de alta frecuencia, especialmente preto do punto de corrente cero. Isto pode lograrse introducindo elementos de amortiguación apropiados ou optimizando os parámetros do circuito para suprimir as correntes transitorias de alta frecuencia.
Mejora do Rendemento de Aislamento: Para manexar posibles sobretensións, o deseño de aislamento do interruptor debe ter suficiente resistencia dieléctrica. Escoller materiais de aislamento de alto rendemento e optimizar a estrutura de aislamento pode asegurar un aislamento fiable mesmo en condicións extremas.
