แรงดันฟื้นคืนชั่วขณะ (TRV) ในการตัดวงจรกระแสเหนี่ยวน้อยโดยเบรกเกอร์
การวิเคราะห์ปรากฏการณ์ชั่วคราวในระบบเชิงเส้นโดยใช้หลักการซ้อนทับ
ในการวิเคราะห์ปรากฏการณ์ชั่วคราวที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสวิตช์ในระบบเชิงเส้น หลักการซ้อนทับเป็นเครื่องมือที่ทรงพลัง โดยการรวมผลเฉลยคงที่ที่มีอยู่ก่อนการเปิดวงจรด้วยการตอบสนองชั่วคราวที่เกิดจากแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าแบบป้อนตรงและแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าแบบป้อนตรง และพิจารณากระแสที่ฉีดผ่านตัวต่อสวิตช์ สามารถได้รับคำอธิบายที่ครอบคลุมกระบวนการเปลี่ยนแปลงสวิตช์
การวิเคราะห์ปรากฏการณ์ชั่วคราวของการเปิดวงจร
ระหว่างการเปิดวงจร กระแสที่ไหลผ่านขั้วสวิตช์ต้องกลายเป็นศูนย์หลังจากการทำงาน ดังนั้น กระแสที่ฉีดเข้าสู่ระบบต้องเท่ากับกระแสที่ไหลผ่านขั้วสวิตช์ก่อนการเปิดวงจร เมื่อตัวต่อสวิตช์เริ่มแยกออกจากกัน แรงดันฟื้นคืนชั่วคราว (TRV) จะเกิดขึ้นทันทีระหว่างตัวต่อ สภาวะ TRV จะปรากฏขึ้นทันทีหลังจากกระแสถึงศูนย์ และมักจะคงอยู่เป็นเวลาไม่กี่มิลลิวินาทีในระบบจริง ในระบบไฟฟ้าปฏิบัติการ ลักษณะของ TRV มีความสำคัญต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของเบรกเกอร์วงจร
ความสำคัญของแรงดันฟื้นคืนชั่วคราว (TRV)
ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับปรากฏการณ์ชั่วคราวที่เกี่ยวข้องกับการทำงานของเบรกเกอร์วงจรในระบบไฟฟ้าสามารถปรับปรุงวิธีการทดสอบและเพิ่มความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์เปลี่ยนทางได้อย่างมาก มาตรฐานกำหนดค่าลักษณะที่แนะนำสำหรับจำลอง TRV ซึ่งช่วยให้วิศวกรสามารถทำนายและออกแบบพฤติกรรมของอุปกรณ์เปลี่ยนทางได้ดียิ่งขึ้น
ประเภทต่าง ๆ ของการเปลี่ยนทางวงจร
แผนภาพต่อไปนี้แสดง TRV ที่ขั้วเบรกเกอร์วงจรเมื่อตัดกระแสในวงจรที่เรียบง่ายมาก แต่ละกรณีจะมีรูปคลื่นที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับธรรมชาติของวงจร:
โหลดต้านทาน: สำหรับโหลดต้านทานบริสุทธิ์ กระแสจะลดลงเป็นศูนย์อย่างรวดเร็วหลังจากการเปลี่ยนทาง ทำให้เกิดรูปคลื่น TRV ที่ค่อนข้างราบเรียบ
โหลดเหนี่ยวนำ: สำหรับโหลดเหนี่ยวนำ แรงดันที่เหนี่ยวนำจะถึงค่าสูงสุดเมื่อกระแสเป็นศูนย์ เนื่องจากเหนี่ยวนำเก็บพลังงาน ซึ่งต้องถูกกระจายผ่านคอมโพเนนต์อื่น ๆ (เช่น คอนเดนเซอร์) ทำให้เกิดการแกว่ง การแกว่งเหล่านี้เกิดจากการโอนถ่ายพลังงานระหว่างเหนี่ยวนำและคอนเดนเซอร์
โหลดประจุ: สำหรับโหลดประจุ กระแสจะลดลงค่อย ๆ หลังจากการเปลี่ยนทาง ในขณะที่แรงดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว รูปคลื่น TRV ทั่วไปจะแสดงเป็นพัลส์แรงดันที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
การตัดกระแสเล็ก ๆ และปรากฏการณ์การตัดกระแส
ในระบบไฟฟ้า การตัดกระแสเล็ก ๆ อาจนำไปสู่ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การตัดกระแส และ การตัดกระแสเสมือน ปรากฏการณ์เหล่านี้มีผลกระทบอย่างมากต่อแรงดันฟื้นคืนชั่วคราว (TRV) และอาจทำให้เกิดแรงดันเกินและการเผาไหม้ใหม่
การตัดกระแสปกติกับการตัดกระแส
การตัดกระแสปกติ: เมื่อกระแสถูกตัดตามธรรมชาติที่จุดศูนย์ นี่คือการเปลี่ยนทางที่เหมาะสม ในกรณีนี้ TRV ทั่วไปจะอยู่ภายในขอบเขตที่กำหนด และไม่มีแรงดันเกินหรือการเผาไหม้ใหม่
การตัดกระแส: หากกระแสถูกตัดก่อนที่จะถึงศูนย์ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการตัดกระแส การตัดกระแสทันทีทำให้เกิดแรงดันชั่วคราวที่ทำให้เกิดการเผาไหม้ใหม่ที่ความถี่สูง ประเภทของการตัดทางที่ผิดปกตินี้มีความเสี่ยงต่อเบรกเกอร์วงจรและระบบ
ผลของการตัดกระแส
เมื่อเบรกเกอร์วงจรตัดกระแสใกล้จุดสูงสุด แรงดันจะเพิ่มขึ้นแทบจะทันที หากแรงดันเกินนี้เกินความแข็งแรงของฉนวนที่กำหนดสำหรับเบรกเกอร์วงจร จะเกิดการเผาไหม้ใหม่ เมื่อกระบวนการนี้เกิดขึ้นหลายครั้ง แรงดันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากการเผาไหม้ใหม่ที่ความถี่สูง การแกว่งความถี่สูงนี้ควบคุมโดยพารามิเตอร์ไฟฟ้าของวงจรที่เกี่ยวข้อง โครงสร้างวงจร และการออกแบบของเบรกเกอร์วงจร ทำให้เกิดการตัดทางก่อนที่กระแสจริงจะถึงศูนย์
ความแตกต่างระหว่างการตัดกระแสและการตัดกระแสเสมือน
การตัดกระแส: เกิดขึ้นเมื่อกระแสถูกตัดก่อนที่จะถึงศูนย์ ทำให้เกิดแรงดันชั่วคราวและการเผาไหม้ใหม่ที่ความถี่สูง
การตัดกระแสเสมือน: เกิดขึ้นเมื่อกระแสถูกตัดก่อนที่จะถึงศูนย์ แม้ว่าจะใกล้ศูนย์มาก แต่ยังสามารถทำให้เกิดแรงดันเกินเล็กน้อยและการเผาไหม้ใหม่
การเปรียบเทียบแรงดันฝั่งโหลดและ TRV
แผนภาพต่อไปนี้เปรียบเทียบแรงดันฝั่งโหลดและ TRV ภายใต้สถานการณ์ที่แตกต่างกันสองกรณี:
การตัดกระแสที่จุดศูนย์: ในกรณีนี้ แรงดันฝั่งโหลดเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอ และ TRV อยู่ภายในขอบเขตที่กำหนด ทำให้ระบบทำงานตามปกติ
การตัดกระแสก่อนจุดศูนย์ (การตัดกระแส): ในกรณีนี้ แรงดันฝั่งโหลดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และ TRV เพิ่มขึ้นอย่างมาก อาจทำให้เกิดแรงดันเกินและการเผาไหม้ใหม่ จากตัวอย่างนี้เห็นได้ว่ากรณีที่สองรุนแรงกว่า
ความสำคัญของการเข้าใจการตัดกระแส
เพื่อเข้าใจผลกระทบที่เกิดจากการตัดกระแส ควรพิจารณาการละเว้นผลกระทบจากการสูญเสียฝั่งโหลด หลังจากกระแสถูกตัดที่จุดศูนย์ พลังงานที่เก็บบนฝั่งโหลดจะอยู่ในคอนเดนเซอร์ โดยแรงดันจะถึงค่าสูงสุด แต่หากกระแสถูกตัดก่อนถึงศูนย์ พลังงานในคอนเดนเซอร์จะไม่สามารถถูกกระจายออกได้หมด ทำให้แรงดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและเกิดแรงดันเกินและการเผาไหม้ใหม่
(a) วงจรเทียบเท่า. (b) การตัดอาร์คที่จุดศูนย์ของกระแส. (c) การตัดอาร์คก่อนจุดศูนย์ของกระแส.
การตัดกระแสและการปรากฏชั่วคราวความถี่สูง
ในกรณีของ การตัดกระแส ความไม่เสถียรของอาร์คใกล้จุดศูนย์ของกระแสอาจทำให้เกิดกระแสชั่วคราวความถี่สูงที่ไหลเข้าสู่ส่วนประกอบเครือข่ายที่อยู่ใกล้เคียง กระแสความถี่สูงนี้ซ้อนทับกับกระแสความถี่สูงที่เล็กๆ ซึ่งถูกตัดเป็นศูนย์ โดยเฉพาะ:
ความไม่เสถียรของอาร์คใกล้จุดศูนย์ของกระแส: เมื่อกระแสเข้าใกล้ศูนย์ อาร์คอาจไม่เสถียร ทำให้เกิดกระแสชั่วคราวความถี่สูง กระแสเหล่านี้ซ้อนทับกับกระแสความถี่สูงที่เล็กๆ ทำให้การตอบสนองชั่วคราวของระบบซับซ้อนขึ้น
ผลกระทบของกระแสชั่วคราวความถี่สูง: การมีกระแสชั่วคราวความถี่สูงอาจทำให้เกิดแรงดันเกินและการเผาไหม้ใหม่ โดยเฉพาะในโหลดเหนี่ยวนำ เนื่องจากความเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของกระแสเหล่านี้ สามารถสร้างแรงดันสูงสุดในเวลาสั้น ๆ ทำให้เป็นภัยต่อวัสดุฉนวนในระบบ
การตัดกระแสเสมือนและผลกระทบ
ในกรณีของ การตัดกระแสเสมือน ความไม่เสถียรของอาร์คถูกเพิ่มขึ้นโดยการแกว่งกับเฟสที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้เกิดกระแสความถี่สูงแม้กระทั่งก่อนที่กระแสจะถึงศูนย์ โดยเฉพาะ:
กลไกของการตัดกระแสเสมือน: การตัดกระแสเสมือนเกิดขึ้นเมื่อกระแสใกล้ศูนย์แต่ยังไม่ถึงศูนย์ ในจุดนี้ อาร์คอาจมีปฏิสัมพันธ์กับการแกว่งจากเฟสที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้เกิดกระแสความถี่สูง ทำให้ระบบไม่เสถียรขึ้นและเพิ่มความเสี่ยงของการเผาไหม้ใหม่
ปรากฏการณ์ที่สังเกตได้: การตัดกระแสเสมือนได้รับการสังเกตในอาร์คก๊าซในอากาศ, SF6, และน้ำมัน อาร์ควาคูัมยังมีความไวต่อการตัดกระแสเพราะอาร์คในสภาพแวดล้อมวาคูัมไวต่อเงื่อนไขภายนอก ทำให้เกิดความไม่เสถียรเพิ่มขึ้น
สาเหตุของการตัดกระแสและการเผาไหม้ใหม่
ปรากฏการณ์ของการตัดกระแสและการเผาไหม้ใหม่ พร้อมกับแรงดันเกินที่แกว่งความถี่สูง ที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปมีสาเหตุมาจากการออกแบบของเบรกเกอร์วงจร โดยเฉพาะ:
การออกแบบสำหรับกระแสความผิดพลาดสูง: เบรกเกอร์วงจรโดยทั่วไปถูกออกแบบมาเพื่อรับมือกับกระแสความผิดพลาดสูง หากการออกแบบเน้นเฉพาะประสิทธิภาพในการทำงานสำหรับกระแสสูง มันอาจมีประสิทธิภาพเท่ากันสำหรับกระแสเล็ก ๆ ด้วยการพยายามตัดกระแสก่อนที่จะถึงจุดศูนย์ตามธรรมชาติ
ผลเสีย: การออกแบบนี้สามารถนำไปสู่การตัดกระแสและการเผาไหม้ใหม่ ทำให้เกิดแรงดันเกินและผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ เช่น แรงดันเกินสามารถทำลายฉนวนของระบบ ทำให้อุปกรณ์เสียหายหรือมีอายุการใช้งานสั้นลง
การปรับปรุงการออกแบบเบรกเกอร์วงจร
เพื่อจัดการกับกระแสทั้งเล็กและใหญ่อย่างมีประสิทธิภาพ การออกแบบเบรกเกอร์วงจรควรมีคุณสมบัติหลายอย่างเพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ภายใต้เงื่อนไขต่าง ๆ คำแนะนำเฉพาะเจาะจงรวมถึง:
การบาลานซ์ประสิทธิภาพสำหรับกระแสเล็กและใหญ่: การออกแบบเบรกเกอร์วงจรควรมีการพิจารณาทั้งกระแสเล็กและใหญ่ หลีกเลี่ยงการปรับแต่งมากเกินไปสำหรับประเภทใดประเภทหนึ่ง เช่น การปรับวัสดุตัวต่อ การออกแบบห้องดับอาร์ค และกลยุทธ์ควบคุมสามารถช่วยบาลานซ์ประสิทธิภาพในระดับกระแสที่ต่างกัน
การลดการแกว่งความถี่สูง: การออกแบบควรพยายามลดการแกว่งความถี่สูง โดยเฉพาะใกล้จุดศูนย์ของกระแส สามารถทำได้โดยการนำเข้าองค์ประกอบการลดแรงกระแทกที่เหมาะสม หรือปรับพารามิเตอร์วงจรเพื่อปราบปรามกระแสชั่วคราวความถี่สูง
การเพิ่มประสิทธิภาพของฉนวน: เพื่อรับมือกับแรงดันเกินที่อาจเกิดขึ้น การออกแบบฉนวนของเบรกเกอร์วงจรควรมีความแข็งแรงของฉนวนที่เพียงพอ การเลือกวัสดุฉนวนที่มีประสิทธิภาพสูงและการปรับปรุงโครงสร้างฉนวนสามารถทำให้ฉนวนเชื่อถือได้แม้ภายใต้เงื่อนไขที่รุนแรง
