Küçük Endüktif Akımların Anahtarlar Tarafından Kesilmesinde Geçici Kurtarma Gerilimi (TRV)
Süperpozisyon Prensibini Kullanarak Doğrusal Sistemlerde Geçici Olayların Analizi
Doğrusal sistemlerde anahtar işlemleri sonucunda oluşan geçici olayları analiz etmek için süperpozisyon prensibi güçlü bir araçtır. Açık devre işleminden önce var olan durağan çözümle kısa devre gerilim kaynakları ve açık devre akım kaynakları tarafından tetiklenen geçici tepkilerin birleştirilmesi ve anahtar kontakları aracılığıyla sisteme enjekte edilen akımın göz önünde bulundurulması, anahtar değiştirme sürecinin kapsamlı bir açıklamasını sağlar.
Açık Devre İşlemlerinin Geçici Analizi
Açık devre işlemi sırasında, anahtar uçlarındaki akım işlem sonrası sıfır olmalıdır. Bu nedenle, sisteme enjekte edilen akım, açma işleminden önce anahtar uçlarında akan akım ile eşit olmalıdır. Anahtar kontaklarının ayrılmasına başladığında, kontaklar arasında hemen geçici kurtarma gerilimi (TRV) oluşur. TRV, akım sıfır olduğunda hemen ortaya çıkar ve genellikle gerçek sistemlerde milisaniye sürer. Pratik güç sistemlerinde, TRV'nin özellikleri devre kesicilerin performansı ve güvenilirliği açısından kritiktir.
Geçici Kurtarma Geriliminin (TRV) Önemi
Güç sistemlerinde devre kesici işlemlerine ilişkinin geçici olaylarını derinlemesine anlama, test uygulamalarını önemli ölçüde iyileştirebilir ve anahtarlama ekipmanının güvenilirliğini artırabilir. Standartlar, TRV'yi simüle etmek için önerilen karakteristik değerleri belirler, bu da mühendislerin anahtarlama cihazlarının davranışını daha iyi tahmin etmelerine ve tasarlamalarına yardımcı olur.
Farklı Tip Devre Anahtarlama
Aşağıdaki diyagram, çok basit devrelerde akımı keserken devre kesici uçlarındaki TRV'yi göstermektedir. Her durum, devrenin doğasına bağlı olarak farklı dalga biçimleri sonuçlanır:
Dirençsel Yük: Sadece dirençsel yükler için, anahtar işleminden sonra akım hızlıca sıfır olur, bu da nispeten düzgün bir TRV dalga formu sonucu verir.
Endüktif Yük: Endüktif yükler için, endüktörün üzerinden geçen gerilim, akım sıfır olduğunda maksimum değerini alır. Endüktör enerji depolar, bu enerji diğer bileşenler (örneğin kondansatörler) aracılığıyla dağılmak zorundadır, bu nedenle salınımlar oluşur. Bu salınımlar, endüktör ve kondansatör arasındaki enerji aktarımı sonucu meydana gelir.
Kondansatörlü Yük: Kondansatörlü yükler için, anahtar işleminden sonra akım yavaşça azalırken, gerilim hızla yükselir. TRV dalga formu genellikle hızlı yükselen gerilim darbesini gösterir.
Küçük Akım Kesintisi ve Akım Kesme Fenomenleri
Güç sistemlerinde, küçük akımların kesilmesi, akım kesme ve sözde kesme olarak bilinen fenomenlere yol açabilir. Bu fenomenler, geçici kurtarma gerilimi (TRV) üzerinde önemli etkiler yaratır ve aşırı gerilim ve yeniden yanma sorunlarına neden olabilir.
Normal Kesinti vs. Akım Kesme
Normal Kesinti: Akım doğal olarak sıfır kestiği noktada kesildiğinde, bu ideal anahtar işlemidir. Bu durumda, TRV genellikle belirlenen sınırlar içinde kalır ve aşırı gerilim veya yeniden yanma oluşmaz.
Akım Kesme: Eğer akım sıfır olmasından önce erken kesilirse, bu fenomen akım kesme olarak adlandırılır. Akımın ani kesilmesi, geçici aşırı gerilimlerin oluşmasına neden olur, bu da yüksek frekansta yeniden yanmayı tetikleyebilir. Bu tür anormal kesinti, devre kesicinin ve sistemin potansiyel tehlikelerine yol açabilir.
Akım Kesmenin Sonuçları
Bir devre kesici, akımı zirvesine yakın keserse, gerilim hemen yükselmeye başlar. Eğer bu aşırı gerilim, devre kesici için belirlenen dielektrik dayanımını aşarsa, yeniden yanma gerçekleşir. Bu süreç birden fazla tekrarlandığında, yüksek frekansta yeniden yanma nedeniyle gerilim hızla artmaya devam eder. Bu yüksek frekanlı salınımlar, ilgili devrenin elektrik parametreleri, devre yapılandırması ve devre kesici tasarımına bağlıdır, bu da gerçek güç frekansındaki akım sıfır olmadan önce sıfır kestiğini kontrol eder.
Akım Kesme ve Sözde Kesme Arasındaki Fark
Akım Kesme: Akım sıfır olmasından önce kesildiğinde gerçekleşir, bu da geçici aşırı gerilim ve yüksek frekansta yeniden yanmaya neden olur.
Sözde Kesme: Akım sıfır olmasından hemen önce, ancak çok yakındayken kesildiğinde gerçekleşir. Bu, hala küçük aşırı gerilim ve yeniden yanmaya neden olabilir.
Yük Tarafı Gerilimi ve TRV'nin Karşılaştırılması
Aşağıdaki diyagram, iki farklı senaryoda yük tarafı gerilimi ve TRV'yi karşılaştırır:
Akımdaki Sıfır Noktasında Kesme: Bu durumda, yük tarafı gerilimi sabit bir şekilde yükselir ve TRV belirlenen sınırlar içinde kalır, normal sistem çalışmasını sağlar.
Akımdaki Sıfır Noktasından Önce Kesme (Akım Kesme): Burada, yük tarafı gerilimi hızla yükselir ve TRV önemli ölçüde artar, potansiyel olarak aşırı gerilim ve yeniden yanma neden olabilir. Bu örnekte, ikinci senaryonun daha şiddetli olduğu açıktır.
Akım Kesmenin Anlaşılmasının Önemi
Akım kesmenin etkisini daha iyi anlamak için, yük tarafı kayıplarının etkisini göz ardı etmeyi düşünün. Akım sıfır noktasında kesildikten sonra, yük tarafında saklanan enerji çoğunlukla kondansatörlerdedir, burada gerilim maksimum değeri alır. Ancak, eğer akım sıfır olmadan önce kesilirse, kondansatörlerdeki enerji tamamen dağıtılamaz, bu da hızlı bir gerilim yükselmesi ve ardından aşırı gerilim ve yeniden yanma sorunlarına yol açar.
(a) Eşdeğer Devre. (b) Akım Sıfır Noktasında Ark Kesme. (c) Akım Sıfır Noktasından Önce Ark Kesme.
Akım Kesme ve Yüksek Frekanlı Geçici Olaylar
Akım kesme durumunda, akım sıfır noktasına yakın arkın istikrarsızlığı, komşu ağ bileşenlerine giden yüksek frekanlı geçici akımlara yol açabilir. Bu yüksek frekanlı akım, daha küçük güç frekanlı akım üzerine eklenir, bu da etkili bir şekilde sıfıra kesilir. Özellikle:
Akım Sıfır Noktasına Yakın Ark İstikrarsızlığı: Akım sıfır yaklaştıkça, ark istikrarsızlaşabilir ve yüksek frekanlı geçici akımlar oluşturabilir. Bu akımlar, zaten küçük olan güç frekanlı akım üzerine eklenerek, sistemin geçici tepkisini daha da karmaşıklaştırır.
Yüksek Frekanlı Geçici Akımların Etkisi: Yüksek frekanlı geçici akımların varlığı, özellikle endüktif yüklerde aşırı gerilim ve yeniden yanmaya neden olabilir. Bu akımlardaki hızlı değişimler, kısa sürede çok yüksek gerilim zirveleri oluşturabilir, bu da sistemin yalıtım malzemeleri için bir tehdit oluşturabilir.
Sözde Kesme ve Etkileri
Sözde kesme durumunda, arkın istikrarsızlığı, komşu fazlardaki salınımlarla birlikte artarak, akım sıfır olmadan önce yüksek frekanlı akımlar oluşturur. Özellikle:
Sözde Kesme Mekanizması: Sözde kesme genellikle akım sıfır yaklaştığında, ancak henüz ulaşmadığında gerçekleşir. Bu noktada, ark, komşu fazlardaki salınımlarla etkileşime girerek, yüksek frekanlı akım oluşturmaya neden olabilir. Bu, sistemi daha da istikrarsızlaştırır ve yeniden yanma riskini artırır.
Gözlemlenen Fenomen: Sözde kesme, havada, SF6'da ve yağda gaz halindeki arkta gözlemlenmiştir. Vakum arkı, dış koşullara daha hassastığından, akım kesmeye de oldukça duyarlıdır, bu da artan istikrarsızlıkla sonuçlanır.
Kesme ve Yeniden Yanmanın Nedenleri
Kesme ve yeniden yanma, yanı sıra ilişkili yüksek frekanlı salınımlı aşırı gerilimler, genellikle devre kesici tasarımına atfedilir. Özellikle:
Yüksek Hata Akımları İçin Tasarım: Devre kesiciler genellikle yüksek hata akımlarını ele almak üzere tasarlanmıştır. Eğer tasarım sadece yüksek akımlar için etkili performans odaklıysa, aynı zamanda küçük akımlar için de etkili olabilir ve doğal sıfır kestiğinden önce onları kesmeye çalışabilir.
Olgunun Olumsuz Sonuçları: Bu tasarım yaklaşımı, akım kesmesi ve yeniden yanmaya neden olabilir, bu da aşırı gerilim ve diğer istenmeyen etkilere yol açabilir. Örneğin, aşırı gerilim, sistemin yalıtımını hasarlayarak ekipman başarısızlığını veya ömrünü kısaltabilir.
Devre Kesici Tasarımını Optimizasyon
Hem küçük hem de büyük akımları etkili bir şekilde ele almak için, devre kesici tasarımında çeşitli özellikler dahil edilmelidir, böylece çeşitli koşullar altında güvenilir performans sağlanmalıdır. Özel öneriler şunlardır:
Küçük ve Büyük Akımlar İçin Denge: Devre kesici tasarımı, küçük ve büyük akımları dikkate almalıdır, bir tür için aşırı optimize edilirken diğerini ihmal etmemelidir. Örneğin, kontakt malzemelerini, ark söndürme odası tasarımını ve kontrol stratejilerini ayarlamak, farklı akım seviyelerinde performansı dengelenebilir.
Yüksek Frekanlı Salınımları Azaltma: Tasarım, özellikle akım sıfır noktasına yakın yüksek frekanlı salınımları minimize etmeye yönelik olmalıdır. Bu, uygun sönüm elemanları ekleme veya yüksek frekanlı geçici akımları bastırmak için devre parametrelerini optimize ederek gerçekleştirilebilir.
Yalıtım Performansını Artırma: Potansiyel aşırı gerilimlere karşı, devre kesicinin yalıtım tasarımı yeterli dielektrik dayanıma sahip olmalıdır. Yüksek performanslı yalıtım malzemelerini seçme ve yalıtım yapısını optimize etme, aşırı koşullar altında bile güvenilir yalıtım sağlayabilir.
