Napędy przejściowe (TRV) przy przerwaniu małych prądów indukcyjnych przez wyłączniki
Analiza zjawisk przejściowych w liniowych systemach przy użyciu zasady superpozycji
W analizie zjawisk przejściowych wywołanych operacjami przepinania w liniowych systemach, zasada superpozycji jest potężnym narzędziem. Połączenie stanu ustalonego istniejącego przed operacją otwarcia obwodu z odpowiedziami przejściowymi wywołanymi przez źródła napięcia krótkiego obwodu i źródła prądu otwartego obwodu, oraz uwzględnienie prądu wprowadzanego przez kontakty przekaźnika, pozwala uzyskać kompleksowy opis procesu przepinania.
Analiza przejściowa operacji otwarcia obwodu
Podczas operacji otwarcia obwodu, prąd płynący przez kontakty przekaźnika musi stać się równy zero po operacji. Dlatego prąd wprowadzany do systemu musi być równy prądowi, który płynął przez kontakty przekaźnika przed operacją otwarcia. Gdy kontakty przekaźnika zaczynają się rozdzielać, natychmiast pojawia się przejściowe napięcie odzysku (TRV) na kontaktaх. TRV pojawia się natychmiast po osiągnięciu prądem wartości zero i zwykle trwa kilka milisekund w rzeczywistych systemach. W praktycznych systemach energetycznych, charakterystyka TRV jest kluczowa dla wydajności i niezawodności wyłączników.
Znaczenie przejściowego napięcia odzysku (TRV)
Dogłębnym zrozumieniem zjawisk przejściowych związanych z operacjami wyłączników w systemach energetycznych można znacząco poprawić praktyki testowania i zwiększyć niezawodność sprzętu przełączającego. Standardy określają zalecane wartości charakterystyczne do symulacji TRV, które pomagają inżynierom lepiej przewidywać i projektować zachowanie urządzeń przełączających.
Różne typy przełączania obwodów
Poniższy diagram ilustruje TRV na złączach wyłącznika podczas przerwania prądu w bardzo prostych obwodach. Każdy przypadek powoduje różne formy fal, w zależności od natury obwodu:
Obciążenie oporne: Dla czysto opornych obciążeń, prąd szybko spada do zera po operacji przełączania, co prowadzi do stosunkowo gładkiej formy fali TRV.
Obciążenie indukcyjne: Dla obciążeń indukcyjnych, napięcie na cewce osiąga swoją maksymalną wartość, gdy prąd staje się równy zero. Ponieważ cewka przechowuje energię, która musi być rozpraszana przez inne komponenty (takie jak kondensatory), występują oscylacje. Te oscylacje są spowodowane przepływem energii między cewką a kondensatorem.
Obciążenie pojemnościowe: Dla obciążeń pojemnościowych, prąd stopniowo maleje po operacji przełączania, podczas gdy napięcie rośnie szybko. Forma fali TRV zazwyczaj wykazuje szybko rosnący impuls napięcia.
Przerwanie małych prądów i zjawisko przecinania prądu
W systemach energetycznych, przerwanie małych prądów może prowadzić do zjawisk znanych jako przecinanie prądu i wirtualne przecinanie prądu. Te zjawiska mają znaczący wpływ na przejściowe napięcie odzysku (TRV) i mogą prowadzić do nadnapięć i ponownego zapłonu.
Normalne przerwanie vs. przecinanie prądu
Normalne przerwanie: Gdy prąd jest naturalnie przerwany w punkcie zerowym, to jest ideałowa operacja przełączania. W tym przypadku, TRV zazwyczaj pozostaje w określonych granicach, a nie występują nadnapięcia ani ponowne zapłon.
Przecinanie prądu: Jeśli prąd jest przerwany przedwcześnie, zanim osiągnie zero, to zjawisko nazywane jest przecinaniem prądu. Nagłe przerwanie prądu prowadzi do generowania przejściowych nadnapięć, które mogą spowodować wysokoczęstotliwościowe ponowne zapłon. Ten typ nietypowego przerwania stwarza potencjalne zagrożenia dla wyłącznika i systemu.
Konsekwencje przecinania prądu
Gdy wyłącznik przerwie prąd blisko jego szczytu, napięcie prawie natychmiast wzrasta. Jeśli to nadnapięcie przekroczy wartość dielektryczną określoną dla wyłącznika, następuje ponowny zapłon. Gdy ten proces powtarza się wielokrotnie, napięcie kontynuuje szybki wzrost z powodu wysokoczęstotliwościowego ponownego zapłonu. Ta wysokoczęstotliwościowa oscylacja jest kontrolowana przez parametry elektryczne związane z obwodem, konfigurację obwodu i projekt wyłącznika, prowadząc do przekroczenia zera przed osiągnięciem rzeczywistej częstotliwości prądu sieciowego.
Różnice między przecinaniem prądu a wirtualnym przecinaniem prądu
Przecinanie prądu: Występuje, gdy prąd jest przerwany przed osiągnięciem zera, co prowadzi do przejściowych nadnapięć i wysokoczęstotliwościowego ponownego zapłonu.
Wirtualne przecinanie prądu: Występuje, gdy prąd jest przerwany tuż przed osiągnięciem zera, choć jest bardzo bliski zera. To może nadal spowodować małe nadnapięcia i ponowny zapłon.
Porównanie napięcia strony obciążenia i TRV
Poniższy diagram porównuje napięcie strony obciążenia i TRV w dwóch różnych scenariuszach:
Przerwanie w punkcie zerowym prądu: W tym przypadku, napięcie strony obciążenia rośnie stabilnie, a TRV pozostaje w określonych granicach, zapewniając normalne działanie systemu.
Przerwanie przed punktem zerowym prądu (przecinanie prądu): Tutaj, napięcie strony obciążenia rośnie szybko, a TRV znacząco wzrasta, co może prowadzić do nadnapięć i ponownego zapłonu. Jest jasne, że drugi scenariusz jest bardziej poważny.
Znaczenie zrozumienia przecinania prądu
Aby lepiej zrozumieć wpływ przecinania prądu, należy zignorować efekty strat strony obciążenia. Po przerwaniu prądu w punkcie zerowym, energia zgromadzona na stronie obciążenia jest głównie w kondensatorach, gdzie napięcie osiąga swoją maksymalną wartość. Jednak, jeśli prąd zostanie przecięty przed osiągnięciem zera, energia w kondensatorach nie może zostać całkowicie rozproszona, co prowadzi do szybkiego wzrostu napięcia i kolejnych problemów z nadnapięciami i ponownym zapłonem.
(a) Obwód równoważny. (b) Przerwanie łuku w punkcie zerowym prądu. (c) Przerwanie łuku przed punktem zerowym prądu.
Przecinanie prądu i wysokoczęstotliwościowe zjawiska przejściowe
W przypadku przecinania prądu, niestabilność łuku w pobliżu punktu zerowego prądu może prowadzić do przepływu wysokoczęstotliwościowych prądów przejściowych do sąsiednich elementów sieci. Ten wysokoczęstotliwościowy prąd nakłada się na mniejszy prąd sieciowy, który jest skutecznie przecięty do zera. Szczególnie:
Niestabilność łuku w pobliżu punktu zerowego prądu: Gdy prąd zbliża się do zera, łuk może stać się niestabilny, generując wysokoczęstotliwościowe prądy przejściowe. Te prądy nakładają się na już mały prąd sieciowy, dodatkowo komplikując odpowiedź przejściową systemu.
Wpływ wysokoczęstotliwościowych prądów przejściowych: Obecność wysokoczęstotliwościowych prądów przejściowych może prowadzić do nadnapięć i ponownego zapłonu, szczególnie w obciążeniach indukcyjnych. Z powodu szybkich zmian tych prądów, mogą one powodować ekstremalnie wysokie szczyty napięcia w krótkim czasie, stanowiąc zagrożenie dla materiałów izolacyjnych w systemie.
Wirtualne przecinanie prądu i jego efekty
W przypadku wirtualnego przecinania prądu, niestabilność łuku jest nasilana przez oscylacje z sąsiednimi fazami, prowadząc do generowania wysokoczęstotliwościowych prądów nawet przed osiągnięciem prądem zera. Szczególnie:
Mechanizm wirtualnego przecinania prądu: Wirtualne przecinanie prądu zazwyczaj występuje, gdy prąd jest bliski, ale jeszcze nie osiągnął zera. W tym momencie, łuk może interakować z oscylacjami z sąsiednich faz, prowadząc do generowania wysokoczęstotliwościowych prądów. To dalszy destabilizuje system i zwiększa ryzyko ponownego zapłonu.
Zaobserwowane zjawisko: Wirtualne przecinanie prądu zostało zaobserwowane w gazowych łukach w powietrzu, SF6 i oleju. Łuki w próżni są również bardzo wrażliwe na przecinanie prądu, ponieważ łuk w środowisku próżni jest bardziej podatny na warunki zewnętrzne, prowadząc do zwiększonej niestabilności.
Przyczyny przecinania i ponownego zapłonu
Zjawiska przecinania i ponownego zapłonu, wraz z powiązanymi wysokoczęstotliwościowymi oscylacyjnymi nadnapięciami, są przede wszystkim przypisywane projektowi wyłącznika. Szczególnie:
Projekt dla dużych prądów uszkodzeniowych: Wyłączniki są zazwyczaj projektowane do obsługi dużych prądów uszkodzeniowych. Jeśli projekt koncentruje się wyłącznie na efektywnym działaniu dla dużych prądów, może być równie efektywny dla małych prądów, próbując je przerwać przed ich naturalnym punktem zerowym.
Ujemne konsekwencje: Ten podejście projektowe może prowadzić do przecinania prądu i ponownego zapłonu, co prowadzi do nadnapięć i innych niepożądanych efektów. Na przykład, nadnapięcia mogą uszkodzić izolację systemu, prowadząc do awarii sprzętu lub skrócenia okresu użytkowania.
Optymalizacja projektu wyłącznika
Aby skutecznie obsłużyć zarówno małe, jak i duże prądy, projekt wyłącznika powinien zawierać wiele cech zapewniających niezawodne działanie w różnych warunkach. Konkretnie zaleca się:
Balansowanie wydajności dla małych i dużych prądów: Projekt wyłącznika powinien uwzględniać zarówno małe, jak i duże prądy, unikając nadmiernego optymalizowania jednego typu na koszt drugiego. Na przykład, dostosowanie materiałów kontaktowych, projektu komory gaszenia łuku i strategii sterowania może pomóc w zbilansowaniu wydajności na różnych poziomach prądu.
Zmniejszanie wysokoczęstotliwościowych oscylacji: Projekt powinien dążyć do minimalizacji wysokoczęstotliwościowych oscylacji, szczególnie w pobliżu punktu zerowego prądu. Można tego dokonać, wprowadzając odpowiednie elementy tłumienia lub optymalizując parametry obwodu, aby tłumić wysokoczęstotliwościowe prądy przejściowe.
Wzmacnianie wydajności izolacji: Aby radzić sobie z potencjalnymi nadnapięciami, projekt izolacji wyłącznika powinien mieć wystarczającą siłę dielektryczną. Wybór materiałów izolacyjnych o wysokiej wydajności i optymalizacja struktury izolacji może zapewnić niezawodną izolację nawet w ekstremalnych warunkach.
