Tijdelijke Herstelspanning (TRV) bij Onderbreking van Kleine Inductieve Stromen door Schakelaars
Analyse van tijdelijke verschijnselen in lineaire systemen met behulp van het superpositieprincipe
Bij de analyse van tijdelijke verschijnselen veroorzaakt door schakeloperaties in lineaire systemen is het superpositieprincipe een krachtig hulpmiddel. Door de bestaande stabiele oplossing voorafgaand aan de open-circuit-operatie te combineren met de tijdelijke responsen veroorzaakt door kortsluitingspanningsbronnen en open-circuit-stroombronnen, en rekening te houden met de stroom die via de schakelaarcontacten wordt ingespoten, kan een volledige beschrijving van het schakelproces worden verkregen.
Tijdelijke analyse van open-circuit-operaties
Tijdens een open-circuit-operatie moet de stroom door de schakelaarterminals nul worden na de operatie. Daarom moet de stroom die in het systeem wordt ingespoten gelijk zijn aan de stroom die door de schakelaarterminals vloeide voordat de opening plaatsvond. Wanneer de schakelaarcontacten beginnen te scheiden, ontstaat er onmiddellijk een tijdelijke herstelspanning (TRV) over de contacten. De TRV verschijnt onmiddellijk nadat de stroom nul bereikt en duurt meestal milliseconden in praktische systemen. In praktische energievoorzieningssystemen zijn de kenmerken van de TRV cruciaal voor de prestaties en betrouwbaarheid van circuitbrekers.
Belangrijkheid van tijdelijke herstelspanning (TRV)
Een grondig begrip van de tijdelijke verschijnselen die gepaard gaan met circuitbrekeroperaties in energievoorzieningssystemen kan de testpraktijken aanzienlijk verbeteren en de betrouwbaarheid van schakelequipment verhogen. Normen specificeren aanbevolen karakteristieke waarden voor het simuleren van TRV, die ingenieurs helpen bij het beter voorspellen en ontwerpen van het gedrag van schakelelementen.
Verschillende soorten circuitschakeling
De volgende diagram illustreert de TRV aan de circuitbrekermeters wanneer de stroom in zeer eenvoudige circuits wordt onderbroken. Elk geval resulteert in verschillende golfformen, afhankelijk van de aard van het circuit:
Resistieve belasting: Voor zuiver resistieve belastingen daalt de stroom snel naar nul na de schakeloperatie, wat resulteert in een relatief gladde TRV-golfforme.
Inductieve belasting: Voor inductieve belastingen bereikt de spanning over de spoel haar maximale waarde wanneer de stroom nul wordt. Aangezien de spoel energie opslaat, die moet worden afgevoerd via andere componenten (zoals condensatoren), treden oscillaties op. Deze oscillaties worden veroorzaakt door de energieoverdracht tussen de spoel en de condensator.
Capacitieve belasting: Voor capacitieve belastingen daalt de stroom geleidelijk na de schakeloperatie, terwijl de spanning snel stijgt. De TRV-golfforme toont meestal een snel stijgende spanningimpuls.
Onderbreking van kleine stromen en stroomknipverschijnselen
In energievoorzieningssystemen kan de onderbreking van kleine stromen leiden tot verschijnselen die bekend staan als stroomknippen en virtueel knippen. Deze verschijnselen hebben aanzienlijke invloed op de tijdelijke herstelspanning (TRV) en kunnen resulteren in overspanning en hernieuwde ontsteking.
Normale onderbreking versus stroomknippen
Normale onderbreking: Wanneer de stroom natuurlijk wordt onderbroken op het nulpunt, is dit de ideale schakeloperatie. In dit geval blijft de TRV meestal binnen gespecificeerde grenzen, en treedt geen overspanning of hernieuwde ontsteking op.
Stroomknippen: Als de stroom vroegtijdig wordt onderbroken voordat deze nul bereikt, wordt dit verschijnsel stroomknippen genoemd. De plotselinge onderbreking van de stroom leidt tot het ontstaan van tijdelijke overspanningen, die hoogfrequente hernieuwde ontstekingen kunnen veroorzaken. Dit type abnormale onderbreking brengt potentiële gevaren met zich mee voor de circuitbreker en het systeem.
Gevolgen van stroomknippen
Wanneer een circuitbreker de stroom vlak bij het piekpunt onderbreekt, stijgt de spanning bijna onmiddellijk. Als deze overspanning de elektrische weerstand overschrijdt die voor de circuitbreker is gespecificeerd, vindt hernieuwde ontsteking plaats. Wanneer dit proces zich meerdere keren herhaalt, stijgt de spanning snel door hoogfrequente hernieuwde ontstekingen. Deze hoogfrequente oscillatie wordt beheerst door de elektrische parameters van het bijbehorende circuit, de schakelconfiguratie en het ontwerp van de circuitbreker, wat leidt tot een nulpassing voordat de werkelijke netstroom nul bereikt.
Verschil tussen stroomknippen en virtueel knippen
Stroomknippen: Treedt op wanneer de stroom wordt onderbroken voordat deze nul bereikt, wat resulteert in tijdelijke overspanningen en hoogfrequente hernieuwde ontstekingen.
Virtueel knippen: Gebeurt wanneer de stroom wordt onderbroken net voordat deze nul bereikt, hoewel het heel dichtbij is. Dit kan nog steeds lichte overspanningen en hernieuwde ontstekingen veroorzaken.
Vergelijking van belastingspanning en TRV
Het volgende diagram vergelijkt de belastingspanning en TRV in twee verschillende scenario's:
Onderbreking op het nulpunt van de stroom: In dit geval stijgt de belastingspanning gestaag, en de TRV blijft binnen gespecificeerde grenzen, wat normale systeembewerking garandeert.
Onderbreking voor het nulpunt van de stroom (stroomknippen): Hier stijgt de belastingspanning snel, en de TRV neemt aanzienlijk toe, wat mogelijk leidt tot overspanning en hernieuwde ontsteking. Het is duidelijk uit dit voorbeeld dat het tweede scenario ernstiger is.
Belangrijkheid van het begrijpen van stroomknippen
Om de impact van stroomknippen beter te begrijpen, kan men de effecten van belastingsverliezen negeren. Na de onderbreking van de stroom op het nulpunt is de opgeslagen energie aan de beladingskant voornamelijk in de condensatoren, waar de spanning zijn maximale waarde bereikt. Echter, als de stroom wordt geknipt voordat hij nul bereikt, kan de energie in de condensatoren niet volledig worden afgevoerd, wat leidt tot een snelle stijging van de spanning en vervolgens overspanning en hernieuwde ontstekingsproblemen.
(a) Equivalent circuit. (b) Boogonderbreking op het nulpunt van de stroom. (c) Boogonderbreking voor het nulpunt van de stroom.
Stroomknippen en hoogfrequente tijdelijke verschijnselen
In het geval van stroomknippen kan de instabiliteit van de boog bij het nulpunt van de stroom leiden tot hoogfrequente tijdelijke stromen die in naburige netwerkcomponenten stromen. Deze hoogfrequente stroom legt zich over de kleinere netstroom, die effectief wordt geknipt naar nul. Specifiek:
Booginstabiliteit bij het nulpunt van de stroom: Terwijl de stroom nul nadert, kan de boog instabiel worden, wat hoogfrequente tijdelijke stromen genereert. Deze stromen leggen zich over de al kleine netstroom, wat de tijdelijke respons van het systeem verder compliceert.
Impact van hoogfrequente tijdelijke stromen: De aanwezigheid van hoogfrequente tijdelijke stromen kan overspanning en hernieuwde ontsteking veroorzaken, vooral in inductieve belastingen. Door de snelle veranderingen in deze stromen kunnen ze in korte tijd uiterst hoge spanningstoppen produceren, wat een bedreiging vormt voor de isolatiematerialen in het systeem.
Virtueel knippen en zijn effecten
In het geval van virtueel knippen wordt de booginstabiliteit versterkt door oscillaties met naburige fasen, wat leidt tot het genereren van hoogfrequente stromen zelfs voordat de stroom nul bereikt. Specifiek:
Mechanisme van virtueel knippen: Virtueel knippen treedt meestal op wanneer de stroom dichtbij maar nog niet nul is. Op dat moment kan de boog interactie hebben met oscillaties van naburige fasen, wat resulteert in het genereren van hoogfrequente stromen. Dit destabiliseert het systeem verder en verhoogt het risico op hernieuwde ontsteking.
Geregistreerd verschijnsel: Virtueel knippen is waargenomen in gasboog in lucht, SF6 en olie. Vacuüm bogen zijn ook zeer gevoelig voor stroomknippen omdat de boog in een vacuümomgeving gevoeliger is voor externe omstandigheden, wat leidt tot verhoogde instabiliteit.
Oorzaken van knippen en hernieuwde ontsteking
De verschijnselen van knippen en hernieuwde ontsteking, samen met de bijbehorende hoogfrequente oscillatoire overspanningen, worden voornamelijk toegeschreven aan het ontwerp van de circuitbreker. Specifiek:
Ontwerp voor hoge foutstromen: Circuitbrekers zijn meestal ontworpen om hoge foutstromen te hanteren. Als het ontwerp zich alleen richt op de effectieve prestaties voor hoge stromen, kan het ook even effectief zijn voor kleine stromen, waarmee geprobeerd wordt ze te onderbreken voordat hun natuurlijke nulpunt wordt bereikt.
Negatieve gevolgen: Deze ontwerpaanpak kan leiden tot stroomknippen en hernieuwde ontsteking, wat resulteert in overspanning en andere ongewenste effecten. Bijvoorbeeld, overspanning kan de isolatie van het systeem beschadigen, wat kan leiden tot apparatuurfouten of een verkorte levensduur.
Optimalisatie van het ontwerp van de circuitbreker
Om zowel kleine als grote stromen effectief te behandelen, moet het ontwerp van de circuitbreker meerdere kenmerken bevatten om betrouwbare prestaties te garanderen onder verschillende omstandigheden. Specifieke aanbevelingen zijn:
Balanceren van prestaties voor kleine en grote stromen: Het ontwerp van de circuitbreker moet zowel kleine als grote stromen in overweging nemen, zonder te overdreven optimaliseren voor één type ten koste van het andere. Bijvoorbeeld, het aanpassen van contactmaterialen, het ontwerp van de booguitdovingskamer en controlestrategieën kan helpen bij het balanceren van de prestaties over verschillende stroomniveaus.
Beperken van hoogfrequente oscillaties: Het ontwerp moet gericht zijn op het minimaliseren van hoogfrequente oscillaties, vooral bij het nulpunt van de stroom. Dit kan worden bereikt door passende dempingselementen in te voeren of circuitelementen te optimaliseren om hoogfrequente tijdelijke stromen te onderdrukken.
Versterken van isolatieprestaties: Om mogelijke overspanningen te hanteren, moet het isolatieontwerp van de circuitbreker voldoende diëlektrische sterkte hebben. Het selecteren van hoogwaardige isolatiematerialen en het optimaliseren van de isolatiestructuur kan ervoor zorgen dat de isolatie zelfs onder extreme omstandigheden betrouwbaar blijft.
