Átmeneti helyreálló feszültség (TRV) kis induktív áramok megszakításakor átkapcsolókkal
Átmeneti jelenségek elemzése lineáris rendszerekben a superpozíciós elv használatával
A kapcsoló műveletek által okozott átmeneti jelenségek elemzésében a superpozíciós elv egy hatékony eszköz. A kapcsoló művelet előtti állapotbeli megoldás, a rövidzárló feszültség- és nyitott kör alakuló áramforrások által indukált átmeneti válaszok, valamint a kapcsolókapcsolókon át behelyezett áram kombinálásával a kapcsoló folyamat teljes leírása készíthető.
Nyitott kör műveletek átmeneti elemzése
Egy nyitott kör művelet során a kapcsoló végponton átmenő áram nullának kell lennie a művelet után. Ezért a rendszerbe behelyezett áramnak megegyeznie kell azzal az árral, amely a kapcsoló végponton áramlott a nyitási művelet előtt. Ahogy a kapcsolókapcsolók elkezdenek szétválni, azonnal keletkezik egy átmeneti helyreállító feszültség (TRV) a kapcsolókapcsolók között. A TRV azonnal jelenik meg, amikor az áram nulla értékre csökken, és a gyakorlati rendszerekben tipikusan millisekundumokra tart. A gyakorlati villamos energiahálózatokban a TRV jellemzői létfontosságúak a vezérlők áramtörlő berendezések teljesítményének és megbízhatóságának javítása érdekében.
Az átmeneti helyreállító feszültség (TRV) jelentősége
A villamos energiahálózatok vezérlők áramtörlő berendezései működésével összefüggő átmeneti jelenségek részletes megértése jelentősen javíthatja a tesztelési gyakorlatokat, és növelheti a kapcsoló berendezések megbízhatóságát. A szabványok ajánlott jellemző értékeket adnak a TRV szimulációhoz, ami segíti a mérnököket, hogy jobban előre jelezzék és tervezzék a kapcsoló berendezések viselkedését.
Különböző típusú áramkör-kapcsolások
A következő diagram a TRV-t mutatja a vezérlők áramtörlő berendezések végpontjain, amikor nagyon egyszerű áramkörökben történik az áram megszakítása. Minden esetben különböző hullámformák keletkeznek, attól függően, hogy milyen természetű az áramkör:
Ellenállásos terhelés: Az tiszta ellenállásos terhelések esetén az áram gyorsan nulla értékre csökken a kapcsoló művelet után, ami relatíve sima TRV hullámformát eredményez.
Induktív terhelés: Az induktív terhelések esetén az induktoron átmenő feszültség maximális értékre emelkedik, amikor az áram nulla értékre csökken. Mivel az induktor energia tárol, amit más komponenseken (pl. kondenzátorokon) kell elérni, rezgések keletkeznek. Ezek a rezgések az energiaátadásból erednek az induktor és a kondenzátor között.
Kondenzátoros terhelés: A kondenzátoros terhelések esetén az áram a kapcsoló művelet után lassan csökken, miközben a feszültség gyorsan emelkedik. A TRV hullámforma általában gyorsan emelkedő feszültségimpulzust mutat.
Kis áramok megszakítása és az áramlevágás jelensége
A villamos energiahálózatokban a kis áramok megszakítása olyan jelenségekhez vezethet, mint az áramlevágás és a képzeletbeli levágás. Ezek a jelenségek jelentős hatást gyakorolhatnak az átmeneti helyreállító feszültségre (TRV), és túlfeszültséget és újraszületést okozhatnak.
Normál megszakítás vs. áramlevágás
Normál megszakítás: Ha az áram természetes módon a nulla átlépési pontján megszakad, ez az ideális kapcsoló művelet. Ebben az esetben a TRV általában a meghatározott határértékek között marad, és nem keletkezik túlfeszültség vagy újraszületés.
Áramlevágás: Ha az áram a nulla érték elé korábban megszakad, ezt az áramlevágásnak nevezzük. Az áram hirtelen megszakadása átmeneti túlfeszültséget generál, ami magasfrekvenciás újraszületést okozhat. Ez a fajta anomális megszakítás potenciális veszélyt jelent a vezérlők áramtörlő berendezések és a rendszer számára.
Az áramlevágás következményei
Amikor a vezérlők áramtörlő berendezés az áram csúcspontjánál megszakítja az áramot, a feszültség majdnem azonnal emelkedik. Ha ez a túlfeszültség meghaladja a vezérlők áramtörlő berendezés dielektrikus erősségének meghatározott értékét, újraszületés történik. Amikor ez a folyamat többször is ismétlődik, a feszültség gyorsan emelkedik a magasfrekvenciás újraszületés miatt. Ez a magasfrekvenciás rezgés az áramkör elektromos paramétereinek, az áramkör konfigurációjának és a vezérlők áramtörlő berendezés tervezésének hatására a nullát éri, mielőtt a valódi hatalmi frekvenciai áram nulla értékre csökkenne.
Az áramlevágás és a képzeletbeli levágás különbsége
Áramlevágás: Történik, ha az áram a nulla érték elé megszakad, ami átmeneti túlfeszültséget és magasfrekvenciás újraszületést okoz.
Képzeletbeli levágás: Történik, ha az áram a nulla érték elé, de nagyon közeli értékre megszakad. Ez még mindig enyhe túlfeszültséget és újraszületést okozhat.
A terhelés oldali feszültség és a TRV összehasonlítása
A következő diagram összehasonlítja a terhelés oldali feszültséget és a TRV két különböző forgatókönyvben:
Megszakítás a nullát érő ponton: Ebben az esetben a terhelés oldali feszültség lágyan emelkedik, és a TRV a meghatározott határértékek között marad, ami normál rendszer működést biztosít.
Megszakítás a nullát érő pont előtt (áramlevágás): Itt a terhelés oldali feszültség gyorsan emelkedik, és a TRV jelentősen növekszik, ami potenciálisan túlfeszültséget és újraszületést okoz. Ebből a példából világos, hogy a második forgatókönyv súlyosabb.
Az áramlevágás megértésének jelentősége
Az áramlevágás hatásának jobb megértéséhez vegyünk figyelembe a terhelés oldali veszteségek hatásának elhanyagolását. Az áram megszakítása a nullát érő ponton után a terhelés oldalon tárolt energia főleg a kondenzátorokban található, ahol a feszültség maximális értékre emelkedik. Azonban, ha az áram a nulla érték elé megszakad, a kondenzátorokban tárolt energia nem teljesen elérhetővé válhat, ami gyors feszültség-emelkedést és túlfeszültséget, valamint újraszületést okozhat.
(a) Ekvivalens áramkör. (b) Izarc megszakítása a nullát érő ponton. (c) Izarc megszakítása a nullát érő pont előtt.
Az áramlevágás és a magasfrekvenciás átmeneti jelenségek
Az áramlevágás esetén az izarc instabilitása a nullát érő pont közelében magasfrekvenciás átmeneti áramokat okozhat a szomszédos hálózati komponensekben. Ez a magasfrekvenciás áram felülírja a kisebb hatalmi frekvenciás áramot, amely hatékonyan nulla értékre van vágva. Konkrétan:
Izarc instabilitása a nullát érő pont közelében: Ahogy az áram a nulla érték felé halad, az izarc instabilizálódhat, ami magasfrekvenciás átmeneti áramokat generál. Ezek az áramok felülírják a már kis hatalmi frekvenciás áramot, tovább bonyolítva a rendszer átmeneti válaszát.
A magasfrekvenciás átmeneti áramok hatása: A magasfrekvenciás átmeneti áramok jelenléte túlfeszültséget és újraszületést okozhat, különösen induktív terhelések esetén. Ezek az áramok gyors változásai miatt rövid idő alatt extrém feszültség-csúcsok keletkezhetnek, ami fenyegetést jelent a rendszer izoláló anyagai számára.
A képzeletbeli levágás és hatásai
A képzeletbeli levágás esetén az izarc instabilitása a szomszédos fázisok rezgései által súlyosbodik, ami magasfrekvenciás áramokat generál, még mielőtt az áram nulla értékre csökkenne. Konkrétan:
A képzeletbeli levágás mechanizmusa: A képzeletbeli levágás tipikusan akkor történik, amikor az áram közel van, de még nem értette el a nulla értéket. Ebben az esetben az izarc interakcióba léphet a szomszédos fázisok rezgései, ami magasfrekvenciás áramok generálását eredményezi. Ez tovább destabilizálja a rendszert, és növeli az újraszületés kockázatát.
Megfigyelt jelenség: A képzeletbeli levágást gázizarcokban, levegőben, SF6-ban és olajban is megfigyeltek. A vakuumizarcok is nagyon érzékenyek az áramlevágásra, mivel a vakuum környezetben az izarc könnyebben érzékeny a külső feltételekre, ami növeli az instabilitást.
Az áramlevágás és az újraszületés okai
Az áramlevágás és az újraszületés jelenségei, valamint a hozzájuk kapcsolódó magasfrekvenciás rezgéződő túlfeszültségek főként a vezérlők áramtörlő berendezések tervezésének tulajdonságaihoz köthetők. Konkrétan:
Nagy hibahelyzetekhez szánt tervezés: A vezérlők áramtörlő berendezések tipikusan nagy hibahelyzetekre tervezve vannak. Ha a tervezés csak a nagy áramok hatékony működésére összpontosít, akkor ugyanilyen hatékony lehet a kis áramokra is, amiket a természetes nullát érő pont előtt próbál megszakítani.
Negatív következmények: Ez a tervezési megközelítés áramlevágást és újraszületést okozhat, ami túlfeszültséget és más nem kívánatos hatásokat eredményez. Például a túlfeszültség károsíthatja a rendszer izolációját, ami berendezések kudarcát vagy rövid élettartamot okozhat.
A vezérlők áramtörlő berendezések tervezésének optimalizálása
A kis és nagy áramok hatékony kezelése érdekében a vezérlők áramtörlő berendezések tervezése több funkciót is be kell vonnia, hogy megbízható teljesítményt biztosítson különböző feltételek mellett. Konkrét ajánlások:
Kis és nagy áramok teljesítményének egyensúlya: A vezérlők áramtörlő berendezések tervezése figyelembe kell vennie a kis és nagy áramokat, elkerülve a túlzott optimalizálást valamelyik típusra. Például a kapcsolóanyagok, az izarc kialsztó kamra tervezése és a vezérlési stratégiák finomhangolása segíthet a különböző áramszinteken való teljesítmény egyensúlyát biztosítani.
Magasfrekvenciás rezgézések csökkentése: A tervezés célja, hogy minimalizálja a magasfrekvenciás rezgézéseket, különösen a nullát érő pont közelében. Ez megvalósítható alkalmas dämping elemek bevezetésével vagy az áramkör paramétereinek optimalizálásával a magasfrekvenciás átmeneti áramok elnyomására.
Izolációs teljesítmény javítása
A potenciális túlfeszültségek kezeléséhez a vezérlők áramtörlő berendezés izolációs tervezése elégséges dielektrikus erősséget kell biztosítson. Magas teljesítményű izoláló anyagok kiválasztása és az izolációs szerkezet optimalizálása garantálja a megbízható izolációt, még extrém feltételek mellett is.
