Tensione di recupero transitoria (TRV) nell'interruzione di correnti induttive piccole da parte degli interruttori
Analisi dei Fenomeni Transitori nei Sistemi Lineari Utilizzando il Principio di Sovrapposizione
Nell'analisi dei fenomeni transitori causati da operazioni di commutazione nei sistemi lineari, il principio di sovrapposizione è uno strumento potente. Combinando la soluzione a stato stazionario che esisteva prima dell'operazione di apertura del circuito con le risposte transitorie indotte da sorgenti di tensione a corto circuito e sorgenti di corrente a circuito aperto, e considerando il corrente iniettata attraverso i contatti dell'interruttore, si può ottenere una descrizione completa del processo di commutazione.
Analisi Transitoria delle Operazioni di Apertura del Circuito
Durante un'operazione di apertura del circuito, il corrente che scorre attraverso i terminali dell'interruttore deve diventare zero dopo l'operazione. Pertanto, il corrente iniettato nel sistema deve essere uguale al corrente che scorreva attraverso i terminali dell'interruttore prima dell'operazione di apertura. Mentre i contatti dell'interruttore iniziano a separarsi, si sviluppa immediatamente una tensione di recupero transitoria (TRV) tra i contatti. La TRV appare immediatamente dopo che il corrente raggiunge zero e tipicamente dura per millisecondi nei sistemi reali. Nei sistemi di potenza pratici, le caratteristiche della TRV sono cruciali per le prestazioni e l'affidabilità degli interruttori.
Importanza della Tensione di Recupero Transitoria (TRV)
Una comprensione approfondita dei fenomeni transitori associati alle operazioni degli interruttori nei sistemi di potenza può migliorare significativamente le pratiche di test e aumentare l'affidabilità dell'equipaggiamento di commutazione. Gli standard specificano valori caratteristici raccomandati per simulare la TRV, che aiutano gli ingegneri a prevedere e progettare meglio il comportamento dei dispositivi di commutazione.
Diversi Tipi di Commutazione del Circuito
Il seguente diagramma illustra la TRV ai terminali dell'interruttore quando si interrompe il corrente in circuiti molto semplici. Ogni caso produce forme d'onda diverse, a seconda della natura del circuito:
Carico Resistivo: Per carichi puramente resistivi, il corrente scende a zero rapidamente dopo l'operazione di commutazione, risultando in una forma d'onda TRV relativamente liscia.
Carico Induttivo: Per carichi induttivi, la tensione sull'induttore raggiunge il suo valore massimo quando il corrente diventa zero. Poiché l'induttore immagazzina energia, che deve essere dissipata attraverso altri componenti (come i condensatori), si verificano oscillazioni. Queste oscillazioni sono causate dal trasferimento di energia tra l'induttore e il condensatore.
Carico Capacitivo: Per carichi capacitivi, il corrente diminuisce gradualmente dopo l'operazione di commutazione, mentre la tensione aumenta rapidamente. La forma d'onda TRV tipicamente mostra un impulso di tensione a rapida salita.
Interruzione di Correnti Piccole e Fenomeni di Troncatura del Corrente
Nei sistemi di potenza, l'interruzione di correnti piccole può portare a fenomeni noti come troncatura del corrente e troncatura virtuale. Questi fenomeni hanno impatti significativi sulla tensione di recupero transitoria (TRV) e possono causare problemi di sovratensione e riacceso.
Interruzione Normale vs. Troncatura del Corrente
Interruzione Normale: Quando il corrente viene interrotto naturalmente al punto di passaggio per zero, questa è l'operazione di commutazione ideale. In questo caso, la TRV rimane generalmente entro i limiti specificati e non si verificano sovratensioni o riaccesi.
Troncatura del Corrente: Se il corrente viene interrotto prematuramente prima di raggiungere zero, questo fenomeno è chiamato troncatura del corrente. L'interruzione improvvisa del corrente porta alla generazione di sovratensioni transitorie, che possono causare riaccesi ad alta frequenza. Questo tipo di interruzione anomala rappresenta un potenziale pericolo per l'interruttore e il sistema.
Conseguenze della Troncatura del Corrente
Quando un interruttore interrompe il corrente vicino al suo picco, la tensione sale quasi istantaneamente. Se questa sovratensione supera la resistenza dielettrica specificata per l'interruttore, si verifica il riacceso. Quando questo processo si ripete più volte, la tensione continua a salire rapidamente a causa del riacceso ad alta frequenza. Questa oscillazione ad alta frequenza è controllata dai parametri elettrici del circuito associato, dalla configurazione del circuito e dal design dell'interruttore, portando a un passaggio per zero prima che il corrente a frequenza di rete effettiva raggiunga zero.
Differenza tra Troncatura del Corrente e Troncatura Virtuale
Troncatura del Corrente: Si verifica quando il corrente viene interrotto prima di raggiungere zero, causando sovratensioni transitorie e riaccesi ad alta frequenza.
Troncatura Virtuale: Si verifica quando il corrente viene interrotto appena prima di raggiungere zero, anche se è molto vicino a zero. Questo può comunque causare sovratensioni minori e riaccesi.
Confronto tra la Tensione sul Lato Carico e la TRV
Il seguente diagramma confronta la tensione sul lato carico e la TRV in due diversi scenari:
Interruzione al Punto di Passaggio per Zero del Corrente: In questo caso, la tensione sul lato carico aumenta stabilmente, e la TRV rimane entro i limiti specificati, assicurando il funzionamento normale del sistema.
Interruzione Prima del Punto di Passaggio per Zero del Corrente (Troncatura del Corrente): Qui, la tensione sul lato carico aumenta rapidamente, e la TRV aumenta significativamente, potenzialmente causando sovratensioni e riaccesi. È chiaro da questo esempio che il secondo scenario è più grave.
Importanza della Comprensione della Troncatura del Corrente
Per comprendere meglio l'impatto della troncatura del corrente, consideriamo di ignorare gli effetti delle perdite sul lato carico. Dopo l'interruzione del corrente al punto di passaggio per zero, l'energia accumulata sul lato carico è principalmente nei condensatori, dove la tensione raggiunge il suo valore massimo. Tuttavia, se il corrente viene troncato prima di raggiungere zero, l'energia nei condensatori non può essere completamente dissipata, portando a un rapido aumento della tensione e a problemi di sovratensione e riacceso successivi.
(a) Circuito Equivalente. (b) Interruzione dell'Arco al Punto di Passaggio per Zero del Corrente. (c) Interruzione dell'Arco Prima del Punto di Passaggio per Zero del Corrente.
Troncatura del Corrente e Fenomeni Transitori ad Alta Frequenza
Nel caso di troncatura del corrente, l'instabilità dell'arco vicino al punto di passaggio per zero del corrente può portare a correnti transitorie ad alta frequenza che fluiscono in componenti di rete adiacenti. Questa corrente ad alta frequenza si sovrappone al corrente di rete a bassa frequenza, che è effettivamente troncato a zero. Specificamente:
Instabilità dell'Arco Vicino al Punto di Passaggio per Zero del Corrente: Man mano che il corrente si avvicina a zero, l'arco può diventare instabile, generando correnti transitorie ad alta frequenza. Queste correnti si sovrappongono al già piccolo corrente di rete, complicando ulteriormente la risposta transitoria del sistema.
Impatto delle Correnti Transitorie ad Alta Frequenza: La presenza di correnti transitorie ad alta frequenza può causare sovratensioni e riaccesi, specialmente in carichi induttivi. A causa dei rapidi cambiamenti di queste correnti, possono produrre picchi di tensione estremamente elevati in breve tempo, rappresentando una minaccia per i materiali isolanti del sistema.
Troncatura Virtuale e i Suoi Effetti
Nel caso di troncatura virtuale, l'instabilità dell'arco è aggravata dalle oscillazioni con fasi adiacenti, portando alla generazione di correnti ad alta frequenza anche prima che il corrente raggiunga zero. Specificamente:
Mechanismo della Troncatura Virtuale: La troncatura virtuale si verifica tipicamente quando il corrente è vicino ma non ha ancora raggiunto zero. A questo punto, l'arco può interagire con oscillazioni provenienti da fasi adiacenti, generando correnti ad alta frequenza. Questo destabilizza ulteriormente il sistema e aumenta il rischio di riacceso.
Fenomeno Osservato: La troncatura virtuale è stata osservata negli archi gassosi nell'aria, SF6 e olio. Gli archi nel vuoto sono anche altamente sensibili alla troncatura del corrente perché l'arco in un ambiente a vuoto è più suscettibile alle condizioni esterne, portando a un aumento dell'instabilità.
Cause della Troncatura e del Riacceso
I fenomeni di troncatura e riacceso, insieme alle sovratensioni oscillatorie ad alta frequenza associate, sono attribuiti principalmente al design dell'interruttore. Specificamente:
Design per Correnti di Guasto Elevate: Gli interruttori sono tipicamente progettati per gestire correnti di guasto elevate. Se il design si concentra solo sulle prestazioni efficaci per correnti elevate, può essere altrettanto efficace per correnti piccole, cercando di interromperle prima del loro passaggio per zero naturale.
Conseguenze Negative: Questo approccio di progettazione può portare a troncature del corrente e riaccesi, causando sovratensioni ed altri effetti indesiderati. Ad esempio, le sovratensioni possono danneggiare l'isolamento del sistema, causando guasti o riducendo la durata della vita dell'equipaggiamento.
Ottimizzazione del Design dell'Interruttore
Per affrontare efficacemente sia correnti piccole che grandi, il design dell'interruttore dovrebbe incorporare diverse caratteristiche per garantire un funzionamento affidabile in varie condizioni. Raccomandazioni specifiche includono:
Bilanciamento delle Prestazioni per Correnti Piccole e Grandi: Il design dell'interruttore dovrebbe considerare sia correnti piccole che grandi, evitando un'eccessiva ottimizzazione per un tipo a discapito dell'altro. Ad esempio, regolare i materiali dei contatti, il design della camera di spegnimento dell'arco e le strategie di controllo può aiutare a bilanciare le prestazioni su diversi livelli di corrente.
Riduzione delle Oscillazioni ad Alta Frequenza: Il design dovrebbe mirare a minimizzare le oscillazioni ad alta frequenza, specialmente vicino al punto di passaggio per zero del corrente. Ciò può essere ottenuto introducendo elementi di smorzamento appropriati o ottimizzando i parametri del circuito per sopprimere le correnti transitorie ad alta frequenza.
Miglioramento delle Prestazioni Isolanti: Per gestire le potenziali sovratensioni, il design dell'isolamento dell'interruttore dovrebbe avere una sufficiente resistenza dielettrica. La selezione di materiali isolanti ad alte prestazioni e l'ottimizzazione della struttura isolante possono garantire un isolamento affidabile anche in condizioni estreme.
