Privremena oporavna napon (TRV) pri prekidu malih induktivnih struja prekidačima
Analiza prelaznih pojava u linearnim sistemima korišćenjem principa superpozicije
U analizi prelaznih pojava uzrokovanih prekidnim operacijama u linearnim sistemima, princip superpozicije je moćno sredstvo. Kombinovanjem stabilnog stanja koje je postojalo pre operacije otvaranja sa prelaznim odgovorima indukovanim izvorima struje i naponskim izvorima, i uzimajući u obzir struju koja se ubacuje kroz kontakti prekidača, može se dobiti kompletno opisivanje procesa prekidne operacije.
Prelazna analiza operacija otvaranja kruga
Tokom operacije otvaranja kruga, struja koja teče kroz kontakti prekidača mora postati nula nakon operacije. Stoga, struja koja se ubacuje u sistem mora biti jednaka struji koja je tečala kroz kontakti prekidača pre operacije otvaranja. Kako se kontakti prekidača počnu razdvajati, prelazni oporavni napon (TRV) odmah se razvija na kontaktima. TRV se pojavljuje odmah posle toga što struja doseže nulu i obično traje milisekunde u stvarnim sistemima. U praktičnim električnim sistemima, karakteristike TRV su ključne za performanse i pouzdanost prekidača.
Važnost prelaznog oporavnog napona (TRV)
Duboko razumevanje prelaznih pojava povezanih sa operacijama prekidača u električnim sistemima može značajno poboljšati prakse testiranja i povećati pouzdanost prekidača. Standardi specifičiraju preporučene karakteristične vrednosti za simulaciju TRV, što pomaže inženjerima da bolje predviđaju i dizajniraju ponašanje prekidača.
Različiti tipovi prekidnih operacija
Sledeći dijagram ilustruje TRV na kontaktima prekidača tokom prekidne operacije u vrlo jednostavnim krugovima. Svaki slučaj rezultira različitim talasnim formama, u zavisnosti od prirode kruga:
Rezistivna opterećenja: Za čisto rezistivna opterećenja, struja brzo pada na nulu posle prekidne operacije, što rezultira relativno glatkom talasnom formom TRV.
Induktivna opterećenja: Za induktivna opterećenja, napon na induktivitetu dostiže maksimalnu vrednost kada struja postane nula. Budući da induktivitet čuva energiju, koja se mora iscrpati kroz druge komponente (kao što su kondenzatori), javljaju se oscilacije. Ove oscilacije su uzrokovane transferom energije između induktiviteta i kondenzatora.
Kondenzativna opterećenja: Za kondenzativna opterećenja, struja postepeno pada posle prekidne operacije, dok napon brzo raste. Talasna forma TRV obično pokazuje brzo rastući impuls napona.
Prekid malih struja i fenomeni prekidanja struje
U električnim sistemima, prekid malih struja može dovesti do fenomena poznatih kao prekidanje struje i virtuelno prekidanje struje. Ovi fenomeni imaju značajne uticaje na prelazni oporavni napon (TRV) i mogu dovoditi do prenapona i ponovnog zapaljenja.
Normalni prekid vs. prekidanje struje
Normalni prekid: Kada se struja prirodno prekida na tački nule, ovo je idealna prekidna operacija. U ovom slučaju, TRV obično ostaje unutar određenih granica, i ne dolazi do prenapona ili ponovnog zapaljenja.
Prekidanje struje: Ako se struja prekida pre nego što doseže nulu, ovo se naziva prekidanje struje. Nagla prekid struje dovodi do generisanja prelaznih prenapona, koji mogu dovesti do visokofrekventnog ponovnog zapaljenja. Ovaj tip abnormalnog prekida predstavlja potencijalnu opasnost za prekidač i sistem.
Posledice prekidanja struje
Kada prekidač prekida struju blizu njegove maksimalne vrednosti, napon skoro odmah raste. Ako ovaj prenapon premaši dielektričnu čvrstoću koja je specificirana za prekidač, javlja se ponovno zapaljenje. Kada se ovaj proces ponavlja više puta, napon nastavlja brzo rasti zbog visokofrekventnog ponovnog zapaljenja. Ova visokofrekventna oscilacija kontrolise se električnim parametrima povezanog kruga, konfiguracijom kruga i dizajnom prekidača, dovodeći do prelaza kroz nulu pre nego što stvarna frekvencija struje doseže nulu.
Razlika između prekidanja struje i virtuelnog prekidanja struje
Prekidanje struje: Dešava se kada se struja prekida pre nego što doseže nulu, što rezultira prelaznim prenaponima i visokofrekventnim ponovnim zapaljenjem.
Virtuelno prekidanje struje: Dešava se kada se struja prekida malo pre nego što doseže nulu, iako je veoma blizu nule. To može ipak dovesti do manjih prenapona i ponovnog zapaljenja.
Uporedba napona na opterećenju i TRV
Sledeći dijagram upoređuje napon na opterećenju i TRV pod dva različita scenarija:
Prekid na tački nule struje: U ovom slučaju, napon na opterećenju raste postepeno, a TRV ostaje unutar određenih granica, obezbeđujući normalnu radnju sistema.
Prekid pre tačke nule struje (prekidanje struje): Ovdje, napon na opterećenju brzo raste, a TRV značajno porasta, što može dovesti do prenapona i ponovnog zapaljenja. Jasno je iz ovog primera da je drugi scenarij ozbiljniji.
Važnost razumevanja prekidanja struje
Da bismo bolje shvatili uticaj prekidanja struje, posmatrajmo ignorisanje efekata gubitaka na strani opterećenja. Nakon što se struja prekida na tački nule, energija sačuvana na strani opterećenja uglavnom je u kondenzatorima, gde napon dostiže maksimalnu vrednost. Međutim, ako se struja prekida pre nego što doseže nulu, energija u kondenzatorima ne može biti potpuno iscrpljena, što dovodi do brzog rasta napona i prenapona i ponovnog zapaljenja.
(a) Ekvivalentni krug. (b) Prekid luka na tački nule struje. (c) Prekid luka pre tačke nule struje.
Prekidanje struje i visokofrekventni prelazni fenomeni
U slučaju prekidanja struje, nestabilnost luka blizu tačke nule struje može dovesti do protoka visokofrekventnih prelaznih struja u susedne mrežne komponente. Ova visokofrekventna struja se preklapa sa manjom strujom frekvencije mreže, koja je efektivno prekinuta na nulu. Konkretno:
Nestabilnost luka blizu tačke nule struje: Kako struja približava nulu, luk može postati nestabilan, generišući visokofrekventne prelazne struje. Ove struje se preklapaju sa već malom strujom frekvencije mreže, dodatno komplikirajući prelazni odgovor sistema.
Uticaj visokofrekventnih prelaznih struja: Prisustvo visokofrekventnih prelaznih struja može dovesti do prenapona i ponovnog zapaljenja, posebno u induktivnim opterećenjima. Zbog brzih promena ovih struja, one mogu proizvesti ekstremno visoke vrhove napona u kratkom vremenu, predstavljajući opasnost za izolacione materijale u sistemu.
Virtuelno prekidanje struje i njegovi efekti
U slučaju virtuelnog prekidanja struje, nestabilnost luka se pogoršava oscilacijama sa susednim fazama, dovodeći do generisanja visokofrekventnih struja čak i pre nego što struja doseže nulu. Konkretno:
Mehanizam virtuelnog prekidanja struje: Virtuelno prekidanje struje obično dešava se kada struja je blizu, ali još nije dostigla nulu. U tom trenutku, luk može interagirati sa oscilacijama iz susednih faza, rezultirajući generisanjem visokofrekventnih struja. Ovo dalje destabilizuje sistem i povećava rizik od ponovnog zapaljenja.
Promatrani fenomen: Virtuelno prekidanje struje je registrovano u plinovitim lukovima u vazduhu, SF6-u i ulju. Vakuumski lici su takođe vrlo osjetljivi na prekidanje struje jer luk u vakuumskoj sredini više podliježe vanjskim uslovima, što dovodi do povećane nestabilnosti.
Uzroci prekidanja struje i ponovnog zapaljenja
Fenomeni prekidanja struje i ponovnog zapaljenja, zajedno sa povezanim visokofrekventnim oscilatornim prenaponima, uglavnom su atribuirani dizajnu prekidača. Konkretno:
Dizajn za visoke greške struje: Prekidači su obično dizajnirani da obrađuju visoke greške struje. Ako dizajn fokusira samo na efektivnu performansu za visoke struje, može biti jednako efektivan i za male struje, pokušavajući ih prekinuti pre nego što dosegnu svoju prirodnu tačku nule.
Negativne posledice: Ovaj pristup dizajna može dovesti do prekidanja struje i ponovnog zapaljenja, rezultirajući prenaponima i drugim neželjenim efektima. Na primer, prenapon može oštetiti izolaciju sistema, dovodeći do otkaza opreme ili skraćenog životnog veka.
Optimizacija dizajna prekidača
Da bi se efektivno obradile i male i velike struje, dizajn prekidača treba da uključi više karakteristika kako bi se osigurala pouzdana performansa pod različitim uslovima. Specifične preporuke uključuju:
Balansiranje performanse za male i velike struje: Dizajn prekidača treba da uzme u obzir i male i velike struje, izbegavajući preoptimalizaciju za jedan tip na štetu drugog. Na primjer, podešavanje materijala kontakata, dizajn komore za gasenje luka i strategije kontrole mogu pomoći u balansiranju performanse na različitim nivoima struje.
Smanjenje visokofrekventnih oscilacija: Dizajn treba da ima za cilj smanjenje visokofrekventnih oscilacija, posebno blizu tačke nule struje. Ovo se može postići uvođenjem odgovarajućih amortizatorskih elemenata ili optimizacijom parametara kruga kako bi se supresirale visokofrekventne prelazne struje.
Poboljšanje performanse izolacije: Da bi se obradile potencijalne prenapone, dizajn izolacije prekidača treba da ima dovoljnu dielektričnu čvrstoću. Izbor visokokvalitetnih izolacionih materijala i optimizacija strukture izolacije može osigurati pouzdanu izolaciju čak i pod ekstremnim uslovima.
