מתח השחזור הטרנסיאנטי (TRV) בהפסקת זרמים אינדוקטיביים קטנים על ידי מפסקים
ניתוח תופעות מרהיבות במערכות ליניאריות באמצעות עקרון הסופרפוזיציה
בניתוח תופעות מרהיבות שנגרמות על ידי פעולות מתג במערכות ליניאריות, עקרון הסופרפוזיציה הוא כלי חזק. על ידי שילוב הפתרון היציב שהיה קיים לפני פעולת המתג הפתוח עם התגובות המרהיבות שנגרמות על ידי מקורות מתח קצר-הסירה ומקורות זרם פתוח, ובהתייחס לזרם המוזרק דרך מגע המתג, ניתן לקבל תיאור כולל של תהליך המתג.
ניתוח תופעות מרהיבות בפעולות מתג פתוח
במהלך פעולה של מתג פתוח, הזרם הזורם דרך מגעי המתג חייב להפוך לאפס לאחר הפעולה. לכן, הזרם המוזרק למערכת חייב להיות שווה לזרם שהיה זורם דרך מגעי המתג לפני הפתיחה. כשהמגע מתחיל להתנתק, מתח השחזור המרהיב (TRV) מתפתח מיד בין המגע. המתח המרהיב מופיע מיד לאחר שהזרם מגיע לאפס וממשיכים למשך מילישניות במערכות אמיתיות. במערכות חשמל מעשיות, מאפייני המתח המרהיב הם קריטיים עבור הביצועים והאמינות של מכסי הקשת.
חשיבות המתח המרהיב (TRV)
הבנה מקיפה של התופעות המרהיבות הקשורות לתפעול מכסי הקשת במערכות חשמל יכולה לשפר משמעותית את נוהלי הבדיקה ולהגביר את האמינות של ציוד המתגים. תקני תקן מגדירים ערכים מומלצים לתכונות המתח המרהיב, שמסייעים למהנדסים לחזות ולעצב טוב יותר את התנהגות המכשירים המתגים.
סוגים שונים של מתגי מעגל
התרשים הבא מדגים את המתח המרהיב במגע מכוס הקשת כאשר מתבצעת הפסקת זרם במעגלים פשוטים מאוד. כל מקרה מוביל לאותות שונים, בהתאם לטבע של המעגל:
טען 저ומי: עבור טענים ישרים, הזרם יורד לאפס במהירות אחרי הפעולה של המתג, מה שמוביל לאות TRV יחסית חלק.
טען אינדוקטיבי: עבור טענים אינדוקטיביים, המתח על האינדקטור מגיע לערכו המרבי כשהזרם הופך לאפס. מאחר והאינדקטור מחזיק אנרגיה שעליה להתפוגג דרך רכיבים אחרים (כמו קONDנסטורים), מתרחשות תנודות. התנודות הללו נגרמות על ידי העברת האנרגיה בין האינדקטור לקONDנסטור.
טען קONDנסטיבי: עבור טענים קONDנסטיביים, הזרם יורד בהדרגה אחרי הפעולה של המתג, בעוד שהמתח עולה במהירות. אות TRV בדרך כלל מציג פולס מתח עולה מהר.
הפסקת זרמים קטנים ותופעת כריתת הזרם
במערכות חשמל, הפסקת זרמים קטנים יכולה להוביל לתופעות המוכרות בשם כריתת הזרם וכריתת הזרם וירטואלית. תופעות אלו יש להן השפעות משמעותיות על המתח המרהיב (TRV) ויכולים לגרום למתח יתר והדלקה מחדש.
הפסקה נורמלית לעומת כריתת הזרם
הפסקה נורמלית: כשהזרם מתנתק באופן טבעי בנקודת החצייה שלו לאפס, זו היא הפעולה המושלמת. במקרה זה, המתח המרהיב בדרך כלל נשאר בתוך גבולות מוגדרים, ואין מתח יתר או הדלקה מחדש.
כריתת הזרם: אם הזרם מתנתק מראש לפני שהוא מגיע לאפס, תופעה זו נקראת כריתת הזרם. הפסקת הזרם המהירה מובילה ליצירת מתח יתר מרהיב, שיכול לגרום להדלקה מחדש בתדר גבוה. סוג זה של הפסקה חריגה מהווה סיכונים פוטנציאליים למכס הקשת ולמערכת.
השלכות כריתת הזרם
כאשר מכס הקשת מפסיק את הזרם ליד הגובה שלו, המתח כמעט מיד עולה. אם המתח המוגבר הזה עולה מעל חוזק הדיאלקטרי המוגדר למכס הקשת, מתרחשת הדלקה מחדש. כשהליך זה חוזר מספר פעמים, המתח ממשיך לעלות במהירות עקב ההדלקה מחדש בתדר גבוה. תנודה בתדר גבוה זו מושפעת מהפרמטרים החשמליים של המעגל המשויך, מבנה המעגל ועיצוב מכס הקשת, מה שגורם לחצייה לאפס לפני שהזרם בתדר הנוכחי מגיע לאפס.
הבדלים בין כריתת הזרם לקריתת הזרם וירטואלית
כריתת הזרם: מתרחשת כשהזרם מתנתק לפני שהוא מגיע לאפס, מה שמוביל למתח יתר מרהיב והדלקה מחדש בתדר גבוה.
כריתת הזרם וירטואלית: מתרחשת כשהזרם מתנתק ממש לפני שהוא מגיע לאפס, למרות שהוא מאוד קרוב לאפס. זה עדיין יכול לגרום למתח יתר קטן ולהדלקה מחדש.
השוואה בין מתח הצד המטען לבין TRV
התרשים הבא משווה את מתח הצד המטען ואת TRV בשני מקרים שונים:
הפסקה בנקודת החצייה של הזרם לאפס: במקרה זה, מתח הצד המטען עולה בצורה יציבה, ו-TRV נשאר בתוך גבולות מוגדרים, מה שמאפשר את פעולת המערכת הנורמלית.
הפסקה לפני נקודת החצייה של הזרם לאפס (כריתת הזרם): כאן, מתח הצד המטען עולה במהירות, ו-TRV עולה משמעותית, מה שיכול להוביל למתח יתר ולהדלקה מחדש. ברור מהדוגמה הזו שהמקרה השני הוא חמוץ יותר.
חשיבות הבנת כריתת הזרם
כדי להבין טוב יותר את ההשפעה של כריתת הזרם, יש להתעלם מההשפעות של אובדן המטען. אחרי שהזרם מתנתק בנקודת החצייה לאפס, האנרגיה המאוחסנת בצד המטען היא בעיקר בקONDנסטורים, שם המתח מגיע לערכו המרבי. אך אם הזרם מתנתק לפני שהוא מגיע לאפס, האנרגיה בקONDנסטורים לא יכולה להתפוגג לחלוטין, מה שמוביל לעלייה מהירה במתח ובעיות מתח יתר והדלקה מחדש.
(a) מעגל שקול. (b) הפסקת קשת בנקודת החצייה של הזרם לאפס. (c) הפסקת קשת לפני נקודת החצייה של הזרם לאפס.
כריתת הזרם ותופעות מרהיבות בתדר גבוה
במקרה של כריתת הזרם, אי-היציבות של הקשת ליד נקודת החצייה של הזרם לאפס יכולה להוביל לתокים מרהיבים בתדר גבוה שזורמים אל רכיבי הרשת הסמוכים. תוקים בתדר גבוה זה מונחים על הזרם הנמוך בתדר החשמל, שמתנתק למעשה לאפס. במיוחד:
אי-יציבות של הקשת ליד נקודת החצייה של הזרם לאפס: ככל שהזרם מתקרב לאפס, הקשת יכולה להיות לא יציבה, מה שמוביל ליצירת תוקים מרהיבים בתדר גבוה. תוקים אלה מונחים על הזרם הנמוך בתדר החשמל, מה שמсложн עוד יותר את התגובה המרהיבה של המערכת.
השפעת תוקים מרהיבים בתדר גבוה: קיום תוקים מרהיבים בתדר גבוה יכול לגרום למתח יתר והדלקה מחדש, במיוחד בטענים אינדוקטיביים. בשל השינויים המהירים בתוקים אלה, הם יכולים לייצר пики напряжения очень высокого уровня за короткое время, что представляет угрозу для изоляционных материалов в системе.
כריתת הזרם וירטואלית והשפעותיה
במקרה של כריתת הזרם וירטואלית, אי-היציבות של הקשת מוחמרת על ידי תנודות עם פאזה סמוכה, מה שמוביל ליצירת תוקים בתדר גבוה אפילו לפני שהזרם מגיע לאפס. במיוחד:
מנגנון כריתת הזרם וירטואלית: כריתת הזרם וירטואלית מתרחשת בדרך כלל כשהזרם קרוב אבל עדיין לא הגיע לאפס. בנקודה זו, הקשת יכולה להתערב עם תנודות מפאזה סמוכה, מה שמוביל ליצירת תוקים בתדר גבוה. זה מוסיף לאי-יציבות של המערכת ומגדיל את הסיכון להדלקה מחדש.
תופעת תצפית: כריתת הזרם וירטואלית נצפתה בעקומות גז באוויר, SF6 ובשמן. קשתות בריק הן גם רגישות מאוד לכריתת הזרם כי הקשת בסביבת הריק יותר חשופה לתנאים חיצוניים, מה שמוביל לאי-יציבות גבוהה יותר.
סיבות לקריתת הזרם והדלקה מחדש
התופעות של כריתת הזרם והדלקה מחדש, יחד עם מתחים מרהיבים בתדר גבוה, מיוחסות בעיקר לעיצוב מכס הקשת. במיוחד:
עיצוב עבור זרמים גבוהים של תקלה: מכסים מותכננים בדרך כלל כדי להתמודד עם זרמים גבוהים של תקלה. אם העיצוב מתמקד רק בביצועים יעילים עבור זרמים גבוהים, הוא עשוי להיות גם יעיל באותה מידה עבור זרמים קטנים, בניסיון להפסיק אותם לפני חציית האפס הטבעית שלהם.
השלכות בלתי רצויות: גישה לעיצוב זו יכולה להוביל לכריתת הזרם והדלקה מחדש, מה שמוביל למתח יתר ואפקטים בלתי רצויים אחרים. למשל, מתח יתר יכול להזיק לבודדים של המערכת, מה ש Stevenson equipment failure or shortened lifespan.
אופטימיזציה של עיצוב מכס הקשת
כדי להתמודד בצורה יעילה עם זרמים קטנים וגדולים, עיצוב מכס הקשת צריך לכלול מאפיינים מרובים כדי להבטיח ביצועים אמינים בתנאים שונים. המלצות ספציפיות כוללות:
איזון ביצועים עבור זרמים קטנים וגדולים: עיצוב מכס הקשת צריך לקחת בחשבון זרמים קטנים וגדולים, תוך כדי הימנעות מאופטימיזציה יתרה עבור סוג אחד על חשבון האחר. למשל, שינוי חומרי מגע, עיצוב תא הכיבוי של הקשת, וסטרטגיות שליטה יכולים לעזור לאזן ביצועים בדרגות שונות של זרמים.
הקטנת תנודות בתדר גבוה: העיצוב צריך להימנע מהתנודות בתדר גבוה, במיוחד ליד נקודת החצייה של הזרם לאפס. ניתן להשיג זאת על ידי הוספת אלמנטים מתווים מתאימים או אופטימיזציה של פרמטרי המעגל כדי לדכא את התוקים המרהיבים בתדר גבוה.
שיפור ביצועי ההבדלה: כדי להתמודד עם מתחים מוגברים אפשריים, עיצוב ההבדלה של מכס הקשת צריך להיות בעל חוזק דיאלקטרי מספיק. בחירת חומרים מבודדים בעלי ביצועים גבוהים ואופטימיזציה של מבנה ההבדלה יכולה להבטיח מבודדות אמינות גם בתנאים קיצוניים.
