Privremeno oporavne napon (TRV) pri prekidu malih induktivnih struja prekidačima
Analiza prelaznih pojava u linearnim sustavima korištenjem principa superpozicije
Pri analizi prelaznih pojava uzrokovanih operacijama prekidača u linearnim sustavima, princip superpozicije je moćno sredstvo. Kombinirajući postojano rješenje koje je bilo prisutno prije operacije otvaranja cirkvita s prelaznim odgovorima induciranim izvorima struje i naponskih izvora u kratičnom stanju, te uzimajući u obzir struju ubačenu kroz kontakti prekidača, može se dobiti kompleksni opis procesa prekidanja.
Prelazna analiza operacija otvaranja cirkvita
Tijekom operacije otvaranja cirkvita, struja koja teče kroz kontakti prekidača mora postati nula nakon operacije. Stoga, struja ubačena u sustav mora biti jednaka struji koja je tečala kroz kontakti prekidača prije otvaranja. Kako se kontakti prekidača počnu razdvajati, odmah se razvija prelazni oporavljajući napon (TRV) između kontakti. TRV se pojavljuje odmah nakon što struja doseže nulu i tipično traje milisekunde u stvarnim sustavima. U praktičnim električnim sustavima, karakteristike TRV su ključne za performanse i pouzdanost prekidača.
Važnost prelaznog oporavljajućeg napona (TRV)
Duboko razumijevanje prelaznih pojava povezanih s operacijama prekidača u električnim sustavima može značajno poboljšati prakse testiranja i unaprijediti pouzdanost prekidnih uređaja. Standardi navode preporučene karakteristične vrijednosti za simulaciju TRV, što inženjerima pomaže bolje predviđati i dizajnirati ponašanje prekidnih uređaja.
Različite vrste prekidanja cirkvita
Sljedeći dijagram ilustrira TRV na kontaktima prekidača prilikom prekidanja struje u vrlo jednostavnim cirkvitima. Svaki slučaj rezultira različitim valnim oblicima, ovisno o prirodi cirkvita:
Ohmova optika: Za čisto ohmovske optike, struja brzo pada na nulu nakon operacije prekidanja, što rezultira relativno gladkim valnim oblikom TRV-a.
Induktivna optika: Za induktivne optike, napon na indukciji doseže svoju maksimalnu vrijednost kada struja postane nula. Budući da indukcija sprema energiju, koja se mora raspršiti kroz druge komponente (poput kondenzatora), javljaju se oscilacije. Ove oscilacije su uzrok prenosu energije između indukcije i kondenzatora.
Kondenzativna optika: Za kondenzativne optike, struja postupno pada nakon operacije prekidanja, dok napon brzo raste. Valni oblik TRV-a tipično pokazuje brzo rastući puls napona.
Prekidanje male struje i pojave prekidanja struje
U električnim sustavima, prekidanje male struje može dovesti do pojava poznatih kao prekidanje struje i virtualno prekidanje. Ove pojave imaju značajan utjecaj na prelazni oporavljajući napon (TRV) i mogu dovesti do prenapona i ponovnog zapaljenja.
Normalno prekidanje vs. prekidanje struje
Normalno prekidanje: Kada se struja prirodno prekida na točki nultog prelaza, to je idealna operacija prekidanja. U ovom slučaju, TRV obično ostaje unutar određenih granica, a ne događa se prenapon ili ponovno zapaljenje.
Prekidanje struje: Ako se struja prekide premature prije nego što doseže nulu, ta pojava se naziva prekidanjem struje. Naglo prekidanje struje dovodi do generiranja prelaznih prenapona, što može uzrokovati visokofrekventno ponovno zapaljenje. Ovaj tip nepravilnog prekidanja predstavlja potencijalnu opasnost za prekidač i sustav.
Posljedice prekidanja struje
Kada prekidač prekida struju blizu njegovog vrha, napon gotovo odmah raste. Ako taj prenapon premaši dielektričnu čvrstoću koja je određena za prekidač, događa se ponovno zapaljenje. Kada se ovaj proces ponavlja više puta, napon nastavlja brzo rasti zbog visokofrekventnog ponovnog zapaljenja. Ova visokofrekventna oscilacija kontrolirana je električnim parametrima pripadnog cirkvita, konfiguracijom cirkvita i dizajnom prekidača, što dovodi do prelaza kroz nulu prije nego što stvarna struja na snaga frekvencija doseže nulu.
Razlika između prekidanja struje i virtualnog prekidanja
Prekidanje struje: Događa se kada se struja prekide prije nego što doseže nulu, što rezultira prelaznim prenaponima i visokofrekventnim ponovnim zapaljenjem.
Virtualno prekidanje: Događa se kada se struja prekide samo prije nego što doseže nulu, iako je veoma blizu nule. To ipak može dovesti do manjih prenapona i ponovnog zapaljenja.
Usporedba napona na optici i TRV-a
Sljedeći dijagram uspoređuje napon na optici i TRV u dvije različite situacije:
Prekidanje na točki nultog prelaza struje: U ovom slučaju, napon na optici postupno raste, a TRV ostaje unutar određenih granica, osiguravajući normalnu radnju sustava.
Prekidanje prije točke nultog prelaza struje (prekidanje struje): Ovdje, napon na optici brzo raste, a TRV značajno poraste, što može dovesti do prenapona i ponovnog zapaljenja. Izborno je jasno da je drugi scenarij ozbiljniji.
Važnost razumijevanja prekidanja struje
Da bismo bolje razumjeli utjecaj prekidanja struje, trebamo zanemariti efekte gubitaka na optici. Nakon što se struja prekida na točki nultog prelaza, energija spremljena na optici uglavnom je u kondenzatorima, gdje napon doseže svoju maksimalnu vrijednost. Međutim, ako se struja prekine prije nego što doseže nulu, energija u kondenzatorima se ne može potpuno raspršiti, što dovodi do brzog rasta napona i posljedičnih prenapona i ponovnog zapaljenja.
(a) Ekvivalentni cirkvit. (b) Prekid luka na točki nultog prelaza struje. (c) Prekid luka prije točke nultog prelaza struje.
Prekidanje struje i visokofrekventne prelazne pojave
U slučaju prekidanja struje, nestabilnost luka blizu točke nultog prelaza struje može dovesti do toka visokofrekventnih prelaznih struja u susjedne mrežne komponente. Ova visokofrekventna struja preklapa se na manju struju na snaga frekvencija, koja je učinkovito prekinuta na nulu. Konkretno:
Nestabilnost luka blizu točke nultog prelaza struje: Kako struja približava nulu, luk može postati nestabilan, generirajući visokofrekventne prelazne struje. Ove struje preklapaju se na već malu struju na snaga frekvencija, dodatno komplicirajući prelazni odgovor sustava.
Utjecaj visokofrekventnih prelaznih struja: Prisustvo visokofrekventnih prelaznih struja može dovesti do prenapona i ponovnog zapaljenja, posebno u induktivnim optikama. Zbog brzih promjena ovih struja, one mogu proizvesti ekstremno visoke vrhove napona u kratkom vremenu, predstavljajući prijetnju izolacijskim materijalima u sustavu.
Virtualno prekidanje i njegovi učinci
U slučaju virtualnog prekidanja, nestabilnost luka potiče oscilacije s susjednim fazama, što dovodi do generiranja visokofrekventnih struja čak i prije nego što struja doseže nulu. Konkretno:
Mehanizam virtualnog prekidanja: Virtualno prekidanje tipično se događa kada je struja blizu, ali još nije dossegla nulu. U tom trenutku, luk može interagirati s oscilacijama iz susjednih faza, rezultirajući generiranjem visokofrekventnih struja. To dalje destabilizira sustav i povećava rizik od ponovnog zapaljenja.
Promatrana pojava: Virtualno prekidanje je zapaženo u plinskim lukovima u zraku, SF6-u i ulju. Vakuumski lukovi također su vrlo osjetljivi na prekid struje jer je luk u vakuumskom okruženju osjetljiviji na vanjske uvjete, što dovodi do povećane nestabilnosti.
Uzroci prekidanja i ponovnog zapaljenja
Pojava prekidanja i ponovnog zapaljenja, zajedno s povezanim visokofrekventnim oscilatornim prenaponima, uglavnom se pripisuju dizajnu prekidača. Konkretno:
Dizajn za visoke struje greške: Prekidači su obično dizajnirani da obrađuju visoke struje greške. Ako dizajn fokusira isključivo na učinkovitost za visoke struje, može biti jednako učinkovit i za male struje, pokušavajući ih prekinuti prije njihovog prirodnog nultog prelaza.
Negativne posljedice: Ovaj pristup dizajna može dovesti do prekidanja struje i ponovnog zapaljenja, rezultirajući prenaponima i drugim neželjenim učincima. Na primjer, prenapon može oštetiti izolaciju sustava, što može dovesti do otkaza opreme ili skraćivanja životnog vijeka.
Optimizacija dizajna prekidača
Da bi se učinkovito obradile i male i velike struje, dizajn prekidača treba uključivati više značajki kako bi se osigurala pouzdana radnja u različitim uvjetima. Specifične preporuke uključuju:
Balansiranje performansi za male i velike struje: Dizajn prekidača treba uzeti u obzir i male i velike struje, izbjegavajući preoptimalizaciju za jednu vrstu na štetu druge. Na primjer, prilagođavanje materijala kontakata, dizajniranje komore za gasenje luka i strategije upravljanja mogu pomoći u balansiranju performansi na različitim nivoima struje.
Smanjenje visokofrekventnih oscilacija: Dizajn treba ciljati na smanjenje visokofrekventnih oscilacija, posebno blizu točke nultog prelaza struje. To se može postići uvodeći odgovarajuće elemente prigušenja ili optimizirajući parametre cirkvita kako bi se smanjile visokofrekventne prelazne struje.
Poboljšanje performansi izolacije: Da bi se obradili potencijalni prenaponi, dizajn izolacije prekidača treba imati dovoljnu dielektričnu čvrstoću. Odabir visokokvalitetnih izolacijskih materijala i optimizacija strukture izolacije može osigurati pouzdanu izolaciju čak i pod ekstremnim uvjetima.
