Напряжение переходного восстановления (TRV) при прерывании малых индуктивных токов выключателями
Анализ переходных явлений в линейных системах с использованием принципа суперпозиции
При анализе переходных явлений, вызванных коммутационными операциями в линейных системах, принцип суперпозиции является мощным инструментом. Объединяя установившееся решение, существовавшее до операции разрыва цепи, с переходными реакциями, вызванными источниками напряжения при коротком замыкании и источниками тока при разрыве цепи, и учитывая ток, вводимый через контакты выключателя, можно получить всестороннее описание процесса коммутации.
Анализ переходных явлений при операциях разрыва цепи
Во время операции разрыва цепи ток, протекающий через контакты выключателя, должен стать нулевым после выполнения операции. Следовательно, ток, вводимый в систему, должен быть равен току, который протекал через контакты выключателя перед операцией разрыва. Когда контакты начинают разделяться, мгновенно возникает переходное восстановительное напряжение (ПВН) между контактами. ПВН появляется сразу после того, как ток достигает нуля, и обычно длится миллисекунды в реальных системах. В практических энергетических системах характеристики ПВН критически важны для производительности и надежности выключателей.
Важность переходного восстановительного напряжения (ПВН)
Глубокое понимание переходных явлений, связанных с операциями выключателей в энергетических системах, может значительно улучшить методы испытаний и повысить надежность коммутационного оборудования. Стандарты определяют рекомендуемые значения характеристик для моделирования ПВН, которые помогают инженерам лучше прогнозировать и проектировать поведение коммутационных устройств.
Различные типы коммутации цепей
Следующая диаграмма иллюстрирует ПВН на контактах выключателя при прерывании тока в очень простых цепях. Каждый случай приводит к различным формам сигнала, в зависимости от природы цепи:
Чисто резистивная нагрузка: Для чисто резистивных нагрузок ток быстро падает до нуля после коммутационной операции, что приводит к относительно гладкой форме сигнала ПВН.
Индуктивная нагрузка: Для индуктивных нагрузок напряжение на индуктивности достигает максимального значения, когда ток становится нулевым. Поскольку индуктивность накапливает энергию, которая должна рассеиваться через другие компоненты (например, конденсаторы), происходят колебания. Эти колебания вызваны переносом энергии между индуктивностью и конденсатором.
Конденсаторная нагрузка: Для конденсаторных нагрузок ток постепенно уменьшается после коммутационной операции, в то время как напряжение быстро возрастает. Форма сигнала ПВН обычно демонстрирует быстрый импульс напряжения.
Прерывание малых токов и явление обрезки тока
В энергетических системах прерывание малых токов может привести к явлениям, известным как обрезка тока и виртуальная обрезка. Эти явления оказывают значительное влияние на переходное восстановительное напряжение (ПВН) и могут привести к перенапряжению и повторному зажиганию.
Нормальное прерывание vs. обрезка тока
Нормальное прерывание: Когда ток естественным образом прерывается в точке пересечения нуля, это идеальная коммутационная операция. В этом случае ПВН обычно остается в пределах установленных ограничений, и не происходит перенапряжения или повторного зажигания.
Обрезка тока: Если ток прерывается преждевременно, до достижения нуля, это явление называется обрезкой тока. Мгновенное прерывание тока приводит к образованию переходных перенапряжений, которые могут вызвать высокочастотное повторное зажигание. Такой тип ненормального прерывания представляет потенциальную опасность для выключателя и системы.
Последствия обрезки тока
Когда выключатель прерывает ток вблизи его максимума, напряжение почти мгновенно возрастает. Если это перенапряжение превышает диэлектрическую прочность, указанную для выключателя, происходит повторное зажигание. Когда этот процесс повторяется несколько раз, напряжение продолжает быстро возрастать из-за высокочастотного повторного зажигания. Это высокочастотное колебание контролируется электрическими параметрами связанной цепи, конфигурацией цепи и конструкцией выключателя, приводя к пересечению нуля до того, как фактический ток частоты сети достигнет нуля.
Разница между обрезкой тока и виртуальной обрезкой
Обрезка тока: Происходит, когда ток прерывается до достижения нуля, что приводит к переходным перенапряжениям и высокочастотному повторному зажиганию.
Виртуальная обрезка: Происходит, когда ток прерывается сразу перед достижением нуля, хотя он очень близок к нулю. Это все равно может вызвать небольшие перенапряжения и повторное зажигание.
Сравнение напряжения на нагрузочной стороне и ПВН
Следующая диаграмма сравнивает напряжение на нагрузочной стороне и ПВН в двух разных сценариях:
Прерывание в точке пересечения нуля тока: В этом случае напряжение на нагрузочной стороне растет стабильно, а ПВН остается в пределах установленных ограничений, обеспечивая нормальную работу системы.
Прерывание до точки пересечения нуля тока (обрезка тока): Здесь напряжение на нагрузочной стороне быстро возрастает, а ПВН значительно увеличивается, что потенциально может привести к перенапряжению и повторному зажиганию. Из этого примера очевидно, что второй сценарий более серьезный.
Важность понимания обрезки тока
Для лучшего понимания влияния обрезки тока следует игнорировать эффекты потерь на нагрузочной стороне. После прерывания тока в точке пересечения нуля энергия, накопленная на нагрузочной стороне, в основном находится в конденсаторах, где напряжение достигает своего максимального значения. Однако, если ток обрезается до достижения нуля, энергия в конденсаторах не может полностью рассеяться, что приводит к быстрому возрастанию напряжения и последующим проблемам с перенапряжением и повторным зажиганием.
(a) Эквивалентная схема. (b) Прерывание дуги в точке пересечения нуля тока. (c) Прерывание дуги до точки пересечения нуля тока.
Обрезка тока и высокочастотные переходные явления
В случае обрезки тока нестабильность дуги вблизи точки пересечения нуля может привести к появлению высокочастотных переходных токов, текущих в соседние элементы сети. Этот высокочастотный ток накладывается на меньший ток частоты сети, который фактически обрезается до нуля. Конкретно:
Нестабильность дуги вблизи точки пересечения нуля: По мере приближения тока к нулю дуга может становиться нестабильной, генерируя высокочастотные переходные токи. Эти токи накладываются на уже малый ток частоты сети, дополнительно усложняя переходный ответ системы.
Влияние высокочастотных переходных токов: Наличие высокочастотных переходных токов может вызывать перенапряжения и повторное зажигание, особенно в индуктивных нагрузках. Благодаря быстрым изменениям этих токов они могут создавать экстремально высокие пиковые напряжения за короткое время, представляя угрозу для изоляционных материалов системы.
Виртуальная обрезка и ее эффекты
В случае виртуальной обрезки нестабильность дуги усиливается колебаниями с соседними фазами, что приводит к генерации высокочастотных токов даже до достижения нуля тока. Конкретно:
Механизм виртуальной обрезки: Виртуальная обрезка обычно происходит, когда ток близок, но еще не достиг нуля. В этот момент дуга может взаимодействовать с колебаниями от соседних фаз, что приводит к генерации высокочастотных токов. Это дополнительно дестабилизирует систему и увеличивает риск повторного зажигания.
Наблюдаемые явления: Виртуальная обрезка была наблюдаема в газовых дугах в воздухе, SF6 и масле. Дуги в вакууме также очень чувствительны к обрезке тока, так как дуга в вакуумной среде более подвержена внешним условиям, что приводит к увеличению нестабильности.
Причины обрезки и повторного зажигания
Явления обрезки и повторного зажигания, а также связанные с ними высокочастотные колебательные перенапряжения, в основном связаны с конструкцией выключателя. Конкретно:
Конструкция для больших аварийных токов: Выключатели обычно проектируются для работы с большими аварийными токами. Если конструкция сосредоточена исключительно на эффективной работе при больших токах, она может быть также эффективна и для малых токов, пытаясь прервать их до естественного пересечения нуля.
Негативные последствия: Такой подход к проектированию может привести к обрезке тока и повторному зажиганию, вызывая перенапряжения и другие нежелательные эффекты. Например, перенапряжение может повредить изоляцию системы, приводя к отказу оборудования или сокращению его срока службы.
Оптимизация конструкции выключателя
Для эффективного решения задач, связанных как с малыми, так и с большими токами, конструкция выключателя должна включать несколько функций, обеспечивающих надежную работу в различных условиях. Конкретные рекомендации включают:
Сбалансированная работа при малых и больших токах: Конструкция выключателя должна учитывать как малые, так и большие токи, избегая переоптимизации для одного типа в ущерб другому. Например, изменение материалов контактов, конструкции камеры гашения дуги и стратегий управления может помочь сбалансировать производительность на различных уровнях тока.
Снижение высокочастотных колебаний: Конструкция должна стремиться минимизировать высокочастотные колебания, особенно вблизи точки пересечения нуля. Это можно достичь, введя соответствующие демпфирующие элементы или оптимизировав параметры цепи для подавления высокочастотных переходных токов.
Улучшение изоляционных свойств: Для обработки потенциальных перенапряжений изоляционная конструкция выключателя должна иметь достаточную диэлектрическую прочность. Выбор высокопроизводительных изоляционных материалов и оптимизация изоляционной структуры могут обеспечить надежную изоляцию даже в экстремальных условиях.
