Övergångsåterhämtningsspänning (TRV) vid avbrott av små induktiva strömmar med brytare
Analys av tillfälliga fenomen i linjära system med hjälp av superpositionsprincipen
När man analyserar tillfälliga fenomen orsakade av växlingsoperationer i linjära system är superpositionsprincipen ett kraftfullt verktyg. Genom att kombinera den stationära lösningen som fanns innan öppningsoperationen med de tillfälliga responserna som utlöses av kortslutningsspänningskällor och öppningsströmkällor, samt genom att beakta strömmen som injiceras genom brytarkontakterna, kan en omfattande beskrivning av växlingsprocessen erhållas.
Tillfällig analys av öppningsoperationer
Under en öppningsoperation måste strömmen genom brytarterminalerna bli noll efter operationen. Därför måste strömmen som injiceras i systemet vara lika med den ström som flödade genom brytarterminalerna innan öppningsoperationen. När brytarkontakterna börjar separera utvecklas omedelbart en tillfällig återhämtningsspänning (TRV) över kontakterna. TRV uppstår omedelbart efter att strömmen når noll och varar vanligtvis i millisekunder i verkliga system. I praktiska elkraftsystem är egenskaperna hos TRV avgörande för prestanda och tillförlitlighet hos brytare.
Betydelsen av tillfällig återhämtningsspänning (TRV)
En grundlig förståelse av de tillfälliga fenomen som är associerade med brytarens operation i elkraftsystem kan betydande förbättra testmetoder och öka tillförlitligheten hos växlingsutrustning. Standarder anger rekommenderade karakteristiska värden för simulering av TRV, vilket hjälper ingenjörer att bättre förutsäga och designa uppförandet hos växlingsenheter.
Olika typer av kretsavbrott
Följande diagram illustrerar TRV vid brytarterminalerna när strömmen avbryts i mycket enkla kretsar. Varje fall resulterar i olika vågförmågor, beroende på naturen av kretsen:
Resistiv last: För ren resistiv last sjunker strömmen snabbt till noll efter växlingsoperationen, vilket resulterar i en relativt jämn TRV-vågförmåga.
Induktiv last: För induktiva laster når spänningen över induktorn sitt maximala värde när strömmen blir noll. Eftersom induktorn lagrar energi, som behöver dissiperas genom andra komponenter (som kondensatorer), uppstår svängningar. Dessa svängningar orsakas av energioverföring mellan induktorn och kondensatorn.
Kapacitiv last: För kapacitiva laster minskar strömmen gradvis efter växlingsoperationen, medan spänningen stiger snabbt. TRV-vågförmågan visar ofta en snabbt stigande spänningstopp.
Avbrott av små strömmar och strömbrytningsscenarion
I elkraftsystem kan avbrott av små strömmar leda till fenomen kända som strömbrytning och virtuell brytning. Dessa fenomen har betydande effekter på tillfällig återhämtningsspänning (TRV) och kan resultera i överspänning och återantändning.
Normal avbrottning kontra strömbrytning
Normal avbrottning: När strömmen avbryts naturligt vid dess nollpassage är detta den idealiska växlingsoperationen. I detta fall förblir TRV normalt inom angivna gränser, och inga överspänningar eller återantändningar inträffar.
Strömbrytning: Om strömmen avbryts före dess nollpassage kallas detta fenomen för strömbrytning. Den plötsliga avbrottningen av strömmen leder till generering av tillfälliga överspänningar, vilket kan orsaka högfrekventa återantändningar. Denna typ av oregelbunden avbrottning innebär potentiella risker för brytaren och systemet.
Konsekvenser av strömbrytning
När en brytare avbryter strömmen nära dess topp, stiger spänningen nästan omedelbart. Om denna överspänning överskrider dielektriska styrkan som specificeras för brytaren, inträffar återantändning. När denna process upprepas flera gånger, fortsätter spänningen att stiga snabbt på grund av högfrekventa återantändningar. Denna högfrekventa svängning styrs av de elektriska parametrarna i den associerade kretsen, kretsens konfiguration och brytarens design, vilket leder till en nollpassage innan den faktiska nätspänningen når noll.
Skillnad mellan strömbrytning och virtuell brytning
Strömbrytning: Inträffar när strömmen avbryts innan den når noll, vilket resulterar i tillfällig överspänning och högfrekvent återantändning.
Virtuell brytning: Inträffar när strömmen avbryts precis innan den når noll, även om den är mycket nära noll. Detta kan fortfarande orsaka mindre överspänningar och återantändning.
Jämförelse av belastningsspänning och TRV
Följande diagram jämför belastningsspänningen och TRV under två olika scenarion:
Avbrott vid strömnings nollpunkt: I detta fall stiger belastningsspänningen stadigt, och TRV förblir inom angivna gränser, vilket säkerställer normal systemdrift.
Avbrott innan strömnings nollpunkt (strömbrytning): Här stiger belastningsspänningen snabbt, och TRV ökar betydligt, vilket potentiellt kan leda till överspänning och återantändning. Detta exempel visar tydligt att det andra scenariot är mer allvarligt.
Betydelsen av att förstå strömbrytning
För att bättre förstå effekten av strömbrytning, överväg att ignorera effekterna av belastningsförluster. Efter att strömmen avbrutits vid nollpunkten, är den lagrade energin på belastningssidan huvudsakligen i kondensatorerna, där spänningen når sitt maximala värde. Men om strömmen bryts innan den når noll, kan energin i kondensatorerna inte fullständigt dissiperas, vilket leder till en snabb spänningstigning och efterföljande överspänning och återantändning.
(a) Ekvivalent krets. (b) Bågarbrott vid strömnings nollpunkt. (c) Bågarbrott innan strömnings nollpunkt.
Strömbrytning och högfrekventa tillfälliga fenomen
I fallet med strömbrytning kan instabiliteten i bågen nära strömnings nollpunkt leda till att högfrekventa tillfälliga strömmar flödar in i angränsande nätverkskomponenter. Denna högfrekventa ström lägger sig över den mindre nätspänningströmmen, vilken effektivt bryts till noll. Specifikt:
Båginstabilitet nära strömnings nollpunkt: När strömmen närmar sig noll kan bågen bli instabil, vilket genererar högfrekventa tillfälliga strömmar. Dessa strömmar superponeras på den redan små nätspänningströmmen, vilket ytterligare komplicerar systemets tillfälliga respons.
Effekter av högfrekventa tillfälliga strömmar: Närvaron av högfrekventa tillfälliga strömmar kan orsaka överspänning och återantändning, särskilt i induktiva laster. På grund av de snabba förändringarna i dessa strömmar kan de producera extremt höga spänningstoppar på kort tid, vilket utgör en hotbild för isoleringsmaterial i systemet.
Virtuell brytning och dess effekter
I fallet med virtuell brytning försvåras båginstabiliteten av svängningar med angränsande faserna, vilket leder till generering av högfrekventa strömmar även innan strömmen når noll. Specifikt:
Mekanism för virtuell brytning: Virtuell brytning inträffar vanligtvis när strömmen är nära men inte har nått noll. Vid detta tillfälle kan bågen interagera med svängningar från angränsande faser, vilket resulterar i generering av högfrekventa strömmar. Detta destabiliserar systemet ytterligare och ökar risken för återantändning.
Iakttaget fenomen: Virtuell brytning har observerats i gasbågar i luft, SF6 och olja. Vakuumsbågar är också mycket känsliga för strömbrytning eftersom bågen i ett vakuummiljö är mer mottaglig för externa förhållanden, vilket leder till ökad instabilitet.
Orsaker till brytning och återantändning
Fenomenen brytning och återantändning, tillsammans med associerade högfrekventa svängningsöverspänningar, beror huvudsakligen på brytarens design. Specifikt:
Design för höga felströmmar: Brytare är vanligtvis designade för att hantera höga felströmmar. Om designen fokuserar endast på effektiv prestanda för höga strömmar, kan den också vara lika effektiv för små strömmar, försökande att avbryta dem innan deras naturliga nollpassage.
Oönskade konsekvenser: Denna designansats kan leda till strömbrytning och återantändning, vilket resulterar i överspänning och andra oönskade effekter. Till exempel kan överspänning skada systemets isolering, vilket leder till utrustningsfel eller förkortad livslängd.
Optimering av brytaredesign
För att effektivt hantera både små och stora strömmar bör brytaredesignen inkludera flera funktioner för att säkerställa tillförlitlig prestanda under olika förhållanden. Specifika rekommendationer inkluderar:
Balanserad prestanda för små och stora strömmar: Brytaredesign bör ta hänsyn till både små och stora strömmar, undvika överoptimering för en typ på bekostnad av den andra. Till exempel kan justering av kontaktmaterial, design av bågarbrytningskammare och kontrollstrategier hjälpa till att balansera prestanda över olika strömnivåer.
Minskning av högfrekventa svängningar: Designen bör syfta till att minimera högfrekventa svängningar, särskilt nära strömnings nollpunkt. Detta kan uppnås genom att införa lämpliga dämpande element eller optimera kretsparametrar för att undertrycka högfrekventa tillfälliga strömmar.
Förbättring av isoleringsprestanda: För att hantera potentiella överspänningar bör brytarens isoleringsdesign ha tillräcklig dielektrisk styrka. Val av högpresterande isoleringsmaterial och optimering av isoleringsstrukturen kan säkerställa tillförlitlig isolering även under extrema förhållanden.
