Prehodno obnovitveno napetost (TRV) pri prekinjanju majhnih induktivnih tokov s preklopniki
Analiza prehodnih pojavov v linearnih sistemih z uporabo načela superpozicije
Pri analizi prehodnih pojavov, ki jih povzročajo preklopniki v linearnih sistemih, je načelo superpozicije močno orodje. Z združevanjem postojanega stanja, ki je obstajalo pred operacijo odprtih krmil, s prehodnimi odzivi, ki so povzročeni z zaprtimi napetostnimi viri in odprtimi tokovimi viri, ter z upoštevanjem toka, ki se vnese skozi kontaktna krmila, lahko dobimo celosten opis preklopne procese.
Prehodna analiza operacij z odprtimi krmili
Med operacijo z odprtimi krmili mora tok, ki teče skozi kontaktna krmila, postati nič po operaciji. Torej mora tok, ki se vnese v sistem, biti enak toku, ki je tekel skozi kontaktna krmila pred operacijo. Ko se kontaktna krmila začnejo ločevati, se takoj razvije prehodna obnovitvena napetost (TRV) med kontaktnima krmiloma. TRV se pojavi takoj po tem, ko tok doseže nič, in običajno traja milisekunde v stvarnih sistemih. V praktičnih električnih sistemih so lastnosti TRV ključne za delovanje in zanesljivost preklopnikov.
Pomembnost prehodne obnovitvene napetosti (TRV)
Tehnično razumevanje prehodnih pojavov, povezanih z operacijami preklopnikov v električnih sistemih, lahko značilno izboljša prakse testiranja in zanesljivost preklopne opreme. Standardi določajo priporočene karakteristične vrednosti za simulacijo TRV, ki pomagajo inženirjem bolje predvideti in oblikovati delovanje preklopne opreme.
Različne vrste preklopnih operacij
Sledišči prikazujejo TRV na kontaktnih krmilih preklopnika, ko prekinemo tok v zelo preprostih krmilih. Vsak primer da različne valovne oblike, odvisno od narave krmila:
Ohmično obremenjenje: Za čisto ohmična obremenjenja tok hitro pada na nič po operaciji preklopa, kar da dovolj gladko valovno obliko TRV.
Induktivno obremenjenje: Za induktivna obremenjenja doseže napetost na indukciji svojo največjo vrednost, ko tok postane nič. Ker indukcija shranjuje energijo, ki jo je potrebno odstraniti preko drugih komponent (kot so kondenzatorji), se pojavijo oscilacije. Te oscilacije so posledica prenosa energije med indukcijo in kondenzatorjem.
Kondenzatorsko obremenjenje: Za kondenzatorska obremenjenja tok počasno pada po operaciji preklopa, medtem ko napetost hitro narašča. Valovna oblika TRV običajno prikazuje hitro naraščenjski impulz napetosti.
Prekinitev majhnega toka in pojav rezanja toka
V električnih sistemih lahko prekinitev majhnih tokov vodi do pojavov, znanih kot rezanje toka in virtuozno rezanje. Ti pojavi imajo značilen vpliv na prehodno obnovitveno napetost (TRV) in lahko povzročijo prekomerno napetost in ponovno vzbujanje.
Normalna prekinitev vs. Rezanje toka
Normalna prekinitev: Ko se tok prekine naravno na njegovem prehodu skozi nič, gre za idealno preklopno operacijo. V tem primeru ostane TRV običajno znotraj določenih mej, ne pa se pojavi prekomerna napetost ali ponovno vzbujanje.
Rezanje toka: Če se tok prekine predčasno, preden doseže nič, ta pojav imenujemo rezanje toka. Nenadno prekinitev toka vodi do nastanka prehodnih prekomernih napetosti, ki lahko povzročijo visoko frekvenčno ponovno vzbujanje. Ta vrsta nenormalne preklope predstavlja potencialne tveganja za preklopnik in sistem.
Posledice rezanja toka
Ko preklopnik prekine tok blizu njegovega špica, napetost skoraj takoj narašča. Če ta prekomerna napetost preseže dielektrično čvrstočnost, določeno za preklopnik, se pojavi ponovno vzbujanje. Ko se ta proces večkrat ponovi, napetost nadaljuje s hitrim naraščanjem zaradi visoko frekvenčnega ponovnega vzbujanja. Ta visoko frekvenčna oscilacija je kontrolirana z električnimi parametri povezanega krmila, konfiguracijo krmila in oblikovanjem preklopnika, kar vodi do prehoda skozi nič, preden stvarni frekvenčni toki dosežejo nič.
Razlika med rezanjem toka in virtuoznim rezanjem
Rezanje toka: Se zgodi, ko se tok prekine preden doseže nič, kar vodi do prehodnih prekomernih napetosti in visoko frekvenčnega ponovnega vzbujanja.
Virtuozno rezanje: Se zgodi, ko se tok prekine le malo preden doseže nič, čeprav je zelo blizu nič. To lahko še vedno povzroči manjšo prekomerno napetost in ponovno vzbujanje.
Primerjava napetosti na strani obremenjenja in TRV
Sledišči primerjajo napetost na strani obremenjenja in TRV pod dvema različnima scenarijema:
Prekinitev na prehodu skozi nič: V tem primeru napetost na strani obremenjenja mirno narašča, TRV pa ostane znotraj določenih mej, kar zagotavlja normalno delovanje sistema.
Prekinitev pred prehodom skozi nič (rezanje toka): Tukaj napetost na strani obremenjenja hitro narašča, TRV pa znatno narašča, kar lahko vodi do prekomerne napetosti in ponovnega vzbujanja. Je očitno, da je drugi scenarij hujši.
Pomembnost razumevanja rezanja toka
Za boljše razumevanje vpliva rezanja toka upoštevajmo, da ignoriramo učinke izgub na strani obremenjenja. Po prekini toka na prehodu skozi nič je energija, shranjena na strani obremenjenja, predvsem v kondenzatorjih, kjer napetost doseže svojo največjo vrednost. Vendar, če se tok prekine preden doseže nič, energija v kondenzatorjih ne more biti popolnoma odstranjena, kar vodi do hitrega naraščanja napetosti in naslednjih problemov z prekomerno napetostjo in ponovnim vzbujanjem.
(a) Ekvivalentno krmilo. (b) Prekinitev loka na prehodu skozi nič. (c) Prekinitev loka pred prehodom skozi nič.
Rezanje toka in visoko frekvenčni prehodni pojavi
V primeru rezanja toka lahko nestabilnost loka blizu prehoda skozi nič vodi do pretokov visoko frekvenčnih prehodnih tokov v sosednje omrežne komponente. Ta visoko frekvenčni toki preklapljajo z manjšim frekvenčnim tokom, ki je učinkovito prekrojen na nič. Specifično:
Nestabilnost loka blizu prehoda skozi nič: Ko se tok približuje nič, lahko lok postane nestabilen, kar generira visoko frekvenčne prehodne toke. Ti toki preklapljajo z že majhnim frekvenčnim tokom, kar še bolj zapletenja prehodni odziv sistema.
Vpliv visoko frekvenčnih prehodnih tokov: Prisotnost visoko frekvenčnih prehodnih tokov lahko povzroči prekomerno napetost in ponovno vzbujanje, še posebej v induktivnih obremenitvah. Zaradi hitrih sprememb teh tokov lahko v kratkem času ustvarijo zelo visoke špice napetosti, ki so grožnja za izolacijske materiale v sistemu.
Virtuozno rezanje in njegovi učinki
V primeru virtuoznega rezanja se nestabilnost loka poslabša zaradi oscilacij s sosednjimi fazami, kar vodi do generiranja visoko frekvenčnih tokov, celo preden tok doseže nič. Specifično:
Mehanizem virtuoznega rezanja: Virtuozno rezanje se običajno zgodi, ko je tok blizu, vendar še ni dosegl nič. V tem trenutku lahko lok interagira z oscilacijami s sosednjimi fazami, kar vodi do generiranja visoko frekvenčnih tokov. To še bolj destabilizira sistem in poveča tveganje ponovnega vzbujanja.
Opazljeni pojav: Virtuozno rezanje je bilo opazljivo v plinskih lokih v zraku, SF6 in olju. Lok v vakuumu je tudi zelo občutljiv na rezanje toka, ker je lok v vakuumskem okolju bolj občutljiv na zunanje pogoje, kar vodi do povečane nestabilnosti.
Vzroki rezanja in ponovnega vzbujanja
Pojav rezanja in ponovnega vzbujanja, skupaj s povezanimi visoko frekvenčnimi oscilatornimi prekomernimi napetostmi, je predvsem pripisovan oblikovanju preklopnika. Specifično:
Oblikovanje za visoke krivulje strupov: Preklopniki so običajno oblikovani za obravnavo visokih krivulj strupov. Če se oblikovanje osredotoča samo na učinkovito delovanje za visoke tokove, se lahko enako učinkovito obnaša tudi za majhne tokove, poskuša jih prekiniti pred njihovim naravnim prehodom skozi nič.
Negativne posledice: Ta pristop k oblikovanju lahko vodi do rezanja toka in ponovnega vzbujanja, kar vodi do prekomernih napetosti in drugih neželenih učinkov. Na primer, prekomerna napetost lahko poškoduje izolacijo sistema, kar vodi do odpovedi opreme ali krajšanja življenjske dobe.
Optimizacija oblikovanja preklopnika
Za učinkovito obravnavanje obeh, majhnih in velikih tokov, bi oblikovanje preklopnika moralo vključevati več lastnosti, da zagotovi zanesljivo delovanje v različnih pogojih. Specifične priporočila vključujejo:
Izboljšanje zmogljivosti za majhne in velike tokove: Oblikovanje preklopnika bi moralo upoštevati obeh, majhne in velike tokove, izogibati pa se prekomerni optimizaciji za en tip na račun drugega. Na primer, prilagajanje materialov kontaktov, oblikovanje komore za ugasanje loka in strategije nadzora lahko pomaga doseči ravnotežje zmogljivosti na različnih ravneh tokov.
Zmanjševanje visoko frekvenčnih oscilacij: Oblikovanje bi moralo ciljati na zmanjševanje visoko frekvenčnih oscilacij, še posebej blizu prehoda skozi nič. To je mogoče doseči s sprejetjem ustreznih dušilnih elementov ali optimizacijo parametrov krmila, da se znižajo visoko frekvenčni prehodni toki.
Pojačanje zmogljivosti izolacije: Da se obravnavajo potencialne prekomerne napetosti, bi morala oblikovanje izolacije preklopnika imeti zadostno dielektrično čvrstočnost. Izbor visoko zmogljivih izolacijskih materialov in optimizacija strukture izolacije lahko zagotovi zanesljivo izolacijo tudi v ekstremnih pogojih.
