Overgangsrecovery spenning (TRV) ved avbryting av små induktive strømmer med sirkuitbrytere
Analyse av overgangsfenomener i lineære systemer ved hjelp av superposisjonsprinsippet
Ved analyse av overgangsfenomener som skyldes skruingsoperasjoner i lineære systemer, er superposisjonsprinsippet et kraftig verktøy. Ved å kombinere den stabile løsningen som eksisterte før åpningsoperasjonen med de overgangsresponsene som utløses av kortslutnings spenningskilder og åpnings strømkilder, og ved å ta hensyn til strømmen som innføres gjennom skrukontakten, kan en omfattende beskrivelse av skruingsprosessen oppnås.
Overgangsanalyse av åpningsoperasjoner
Under en åpningsoperasjon må strømmen gjennom skrukontakten bli null etter operasjonen. Derfor må strømmen som innføres i systemet være lik strømmen som gikk gjennom skrukontakten før åpningsoperasjonen. Når skrukontaktene begynner å separere, utvikler det seg umiddelbart en overgangsgjenopprettingsvoltage (TRV) over kontaktene. TRV oppstår umiddelbart etter at strømmen når null og varer typisk noen millisekunder i reelle systemer. I praksis er karakteristikkene til TRV viktig for ytelsen og påliteligheten til brytere.
Betydning av overgangsgjenopprettingsvoltage (TRV)
En grundig forståelse av overgangsfenomenene forbundet med bryteroperasjoner i kraftsystemer kan betydelig forbedre testrutiner og øke påliteligheten til skruutstyr. Standarder spesifiserer anbefalte karakteristiske verdier for simulering av TRV, som hjelper ingeniører med å bedre forutsi og designe oppførselen til skruutstyr.
Forskjellige typer skruing
Følgende diagram illustrerer TRV ved bryterkontaktene ved avbryting av strøm i veldig enkle kretser. Hver situasjon resulterer i forskjellige bølgeformer, avhengig av kretsens natur:
Resistiv last: For ren resistiv last, faller strømmen raskt til null etter skruingsoperasjonen, noe som resulterer i en relativt jevn TRV-bølgeform.
Induktiv last: For induktive laster, når spenningen over induktoren sitt maksimale verdi når strømmen blir null. Siden induktoren lagrer energi, som må dissiperes gjennom andre komponenter (som kondensatorer), oppstår omsvingninger. Disse omsvingningene er forårsaket av energioverføring mellom induktoren og kondensatoren.
Kapasitiv last: For kapasitive laster, minker strømmen gradvis etter skruingsoperasjonen, mens spenningen stiger raskt. TRV-bølgeformen viser typisk en hurtigt stigende spenningimpuls.
Avbryting av små strømmer og strømklippfenomener
I kraftsystemer kan avbryting av små strømmer føre til fenomener kjent som strømklipping og virtuell klipping. Disse fenomenene har betydelige konsekvenser for overgangsgjenopprettingsvoltage (TRV) og kan føre til overspenning og omtenning.
Normal avbryting vs. strømklipping
Normal avbryting: Når strømmen naturlig avbrytes ved sin nullpunktsskrytning, er dette den ideelle skruingsoperasjonen. I dette tilfellet holder TRV typisk innenfor spesifiserte grenser, og det oppstår ingen overspenning eller omtenning.
Strømklipping: Hvis strømmen avbrytes for tidlig, før den når null, kalles dette fenomenet strømklipping. Den plutselige avbrytingen av strømmen fører til generering av overgangsoverspenning, som kan forårsake høyfrekvent omtenning. Dette type uvanlig avbryting stiller potensielle fare for bryteren og systemet.
Konsekvenser av strømklipping
Når en bryter avbryter strømmen nær dens topp, stiger spenningen nesten umiddelbart. Hvis denne overspenningen overstiger dielektriske styrken som er spesifisert for bryteren, forekommer omtenning. Når denne prosessen repeteres flere ganger, fortsetter spenningen å stige raskt på grunn av høyfrekvent omtenning. Dette høyfrekvente omsvingingen styres av elektriske parametre i den assosierte kretsen, kretskonfigurasjonen og designet av bryteren, noe som fører til en nullskrytning før den faktiske nettspenningstrømmen når null.
Forskjell mellom strømklipping og virtuell klipping
Strømklipping: Oppstår når strømmen avbrytes før den når null, noe som resulterer i overgangsoverspenning og høyfrekvent omtenning.
Virtuell klipping: Forekommer når strømmen avbrytes akkurat før den når null, selv om den er veldig nær null. Dette kan fremdeles forårsake mindre overspenning og omtenning.
Sammenligning av belastningsside spenning og TRV
Følgende diagram sammenligner belastningsside spenning og TRV under to ulike scenarier:
Avbryting ved strømmens nullpunkt: I dette tilfellet stiger belastningsside spenningen stabil, og TRV holder seg innenfor spesifiserte grenser, noe som sikrer normal systemdrift.
Avbryting før strømmens nullpunkt (strømklipping): Her stiger belastningsside spenningen raskt, og TRV øker betydelig, noe som potensielt kan føre til overspenning og omtenning. Det er klart fra dette eksemplet at det andre scenariet er mer alvorlig.
Betydning av forståelse av strømklipping
For å bedre forstå effekten av strømklipping, kan du tenke deg å ignorere effektene av tap på belastningssiden. Etter at strømmen avbrytes ved nullpunktet, ligger energien som er lagret på belastningssiden hovedsakelig i kondensatorer, hvor spenningen når sin maksimale verdi. Men hvis strømmen klippes før den når null, kan ikke energien i kondensatorer bli fullstendig dissiperet, noe som fører til en rask spenningstilvekst og deretter overspenning og omtenning.
(a) Eksempelkrets. (b) Bueavbryting ved strømmens nullpunkt. (c) Bueavbryting før strømmens nullpunkt.
Strømklipping og høyfrekvente overgangsfenomener
I tilfelle strømklipping, kan ustabiliteten i bua nær strømmens nullpunkt føre til høyfrekvente overgangsstrømmer som flyter inn i nabokompontenter. Denne høyfrekvente strømmen overlager den mindre nettspenningstrømmen, som effektivt klippes til null. Spesifikt:
Bueustabilitet nær strømmens nullpunkt: Når strømmen nærmer seg null, kan bua bli ustabil, noe som genererer høyfrekvente overgangsstrømmer. Disse strømmer overlager allerede liten nettspenningstrøm, noe som ytterligere kompliserer systemets overgangsrespons.
Påvirkning av høyfrekvente overgangsstrømmer: Nærværelse av høyfrekvente overgangsstrømmer kan forårsake overspenning og omtenning, spesielt i induktive laster. På grunn av de raske endringene i disse strømmene, kan de produsere ekstremt høye spenningstopper i kort tid, noe som utgjør en trussel mot isoleringsmaterialer i systemet.
Virtuell klipping og dens effekter
I tilfelle virtuell klipping, forverres buen ustabilitet av omsvingninger med nabo faser, noe som fører til generering av høyfrekvente strømmer også før strømmen når null. Spesifikt:
Mekanisme for virtuell klipping: Virtuell klipping forekommer typisk når strømmen er nær, men ikke helt null. I dette punktet kan bua interagere med omsvingninger fra nabo faser, noe som resulterer i generering av høyfrekvente strømmer. Dette destabiliserer systemet ytterligere og øker risikoen for omtenning.
Observert fenomen: Virtuell klipping har blitt observert i gasbuer i luft, SF6, og olje. Vakuumsbuer er også svært sensitive for strømklipping, fordi bua i et vakuummiljø er mer sårbare for eksterne forhold, noe som fører til økt ustabilitet.
Årsaker til klipping og omtenning
Fenomenene klipping og omtenning, sammen med tilhørende høyfrekvente omsvingende overspenninger, er hovedsakelig tildelt designet av bryteren. Spesifikt:
Design for høye feilstrømmer: Brytere er typisk designet for å håndtere høye feilstrømmer. Hvis designet fokuserer kun på effektiv ytelse for høye strømmer, kan det også være like effektivt for små strømmer, og forsøke å avbryte dem før deres naturlige nullpunkt.
Negative konsekvenser: Dette designtilnærmingen kan føre til strømklipping og omtenning, noe som resulterer i overspenning og andre uønskede effekter. For eksempel kan overspenning skade systemets isolering, noe som kan føre til utstyrssvik eller forkortet levetid.
Optimalisering av bryterdesign
For å effektivt håndtere både små og store strømmer, bør bryterdesign inkludere flere funksjoner for å sikre pålitelig ytelse under ulike forhold. Spesifikke anbefalinger inkluderer:
Balanse av ytelse for små og store strømmer: Bryterdesign bør ta hensyn til både små og store strømmer, unngå overoptimalisering for en type på bekostning av den andre. For eksempel kan justering av kontaktmaterialer, buutslukningskammerdesign og kontrollstrategier bidra til å balansere ytelse på ulike strømnivåer.
Reduksjon av høyfrekvente omsvingninger: Designet bør ha som mål å minimere høyfrekvente omsvingninger, spesielt nær strømmens nullpunkt. Dette kan oppnås ved å introdusere passende dempingselementer eller optimalisere kretsparametre for å undertrykke høyfrekvente overgangsstrømmer.
Forbedring av isoleringsytelse: For å håndtere potensielle overspenninger, bør bryterens isoleringsdesign ha tilstrekkelig dielektrisk styrke. Valg av høytydende isoleringsmaterialer og optimalisering av isoleringsstrukturen kan sikre pålitelig isolering selv under ekstreme forhold.
