Перехідне відновлювальне напруга (TRV) при перериванні малих індуктивних струмів комутаторами
Аналіз перехідних явищ у лінійних системах за допомогою принципу суперпозиції
При аналізі перехідних явищ, спричинених комутацією в лінійних системах, принцип суперпозиції є потужним інструментом. Об'єднуючи стаціонарне рішення, яке існувало до відкриття контуру, з перехідними відгуками, спричиненими джерелами напруги короткого замикання та джерелами струму відкритого контуру, і враховуючи струм, введений через контакти перемикача, можна отримати повний опис процесу комутації.
Аналіз перехідних явищ при відкритті контуру
Під час відкриття контуру струм, що пройшов через контакти перемикача, має стати нульовим після операції. Тому струм, введений в систему, повинен дорівнювати струму, що проходив через контакти перемикача перед відкриттям. Коли контакти починають розходитися, миттєво виникає перехідна відновлювальна напруга (TRV) на контактах. TRV з'являється миттєво після того, як струм досягає нуля, і зазвичай триває кілька мілісекунд у реальних системах. У практичних електроенергетичних системах характеристики TRV є важливими для продуктивності та надійності автоматів.
Важливість перехідної відновлювальної напруги (TRV)
Глибоке розуміння перехідних явищ, пов'язаних з операціями автоматів у електроенергетичних системах, може значно покращити практику тестування та підвищити надійність обладнання для комутації. Стандарти визначають рекомендовані характеристичні значення для моделювання TRV, які допомагають інженерам краще прогнозувати та проектувати поведінку комутаційних пристроїв.
Різні типи комутації цепей
Наступна діаграма ілюструє TRV на контактах автомата при перериванні струму в дуже простих цепях. Кожен випадок призводить до різних форм сигналу, залежно від характеру цепи:
Резистивна навантаження: Для чисто резистивних навантажень струм швидко знижується до нуля після операції комутації, що призводить до відносно гладкого графіка TRV.
Індуктивна навантаження: Для індуктивних навантажень напруга на індукторі досягає максимального значення, коли струм стає нульовим. Оскільки індуктор зберігає енергію, яка повинна бути розповсюджена через інші компоненти (наприклад, конденсатори), відбуваються коливання. Ці коливання викликані передачею енергії між індуктором та конденсатором.
Конденсаторна навантаження: Для конденсаторних навантажень струм поступово зменшується після операції комутації, а напруга швидко зростає. Графік TRV зазвичай демонструє швидкий підйом напруги.
Переривання малих струмів та явище зрізання струму
У електроенергетичних системах переривання малих струмів може призвести до явищ, відомих як зрізання струму та віртуальне зрізання. Ці явища мають значний вплив на перехідну відновлювальну напругу (TRV) та можуть призводити до перевищення напруги та повторного запалення.
Звичайне переривання проти зрізання струму
Звичайне переривання: Коли струм переривається природно в точці переходу через нуль, це ідеальна операція комутації. У цьому випадку TRV зазвичай залишається в рамках встановлених границь, і не виникає перевищення напруги або повторного запалення.
Зрізання струму: Якщо струм переривається раніше, ніж досягнути нуля, це явище називається зрізанням струму. Несподіване переривання струму призводить до появи перехідних перевищень напруги, що може викликати високочастотне повторне запалення. Цей тип незвичайного переривання створює потенційні загрози для автомата та системи.
Наслідки зрізання струму
Коли автомат перериває струм близько до його піка, напруга майже миттєво зростає. Якщо це перевищення напруги перевищує електричну прочність, встановлену для автомата, відбувається повторне запалення. Коли цей процес повторюється кілька разів, напруга продовжує швидко зростати через високочастотне повторне запалення. Це високочастотне коливання контролюється електричними параметрами пов'язаної цепі, конфігурацією цепі та конструкцією автомата, що призводить до переходу через нуль до того, як фактичний струм частоти мережі досягне нуля.
Різниця між зрізанням струму та віртуальним зрізанням
Зрізання струму: Відбувається, коли струм переривається до досягнення нуля, що призводить до перехідного перевищення напруги та високочастотного повторного запалення.
Віртуальне зрізання: Відбувається, коли струм переривається прямо перед досягненням нуля, хоча він дуже близький до нуля. Це все ще може спричинити невелике перевищення напруги та повторне запалення.
Порівняння напруги на стороні навантаження та TRV
Наступна діаграма порівнює напругу на стороні навантаження та TRV у двох різних сценаріях:
Переривання в точці переходу струму через нуль: У цьому випадку напруга на стороні навантаження поступово зростає, а TRV залишається в рамках встановлених границь, забезпечуючи нормальне функціонування системи.
Переривання перед точкою переходу струму через нуль (зрізання струму): Тут напруга на стороні навантаження швидко зростає, а TRV значно збільшується, що може призводити до перевищення напруги та повторного запалення. З цього прикладу очевидно, що другий сценарій є більш серйозним.
Важливість розуміння зрізання струму
Для кращого розуміння впливу зрізання струму, врахуйте ігнорування втрат на стороні навантаження. Після переривання струму в точці переходу через нуль, енергія, збережена на стороні навантаження, в основному знаходиться в конденсаторах, де напруга досягає свого максимального значення. Однак, якщо струм зрізається до досягнення нуля, енергія в конденсаторах не може повністю розповсюдитися, що призводить до швидкого зростання напруги та наслідкових перевищень напруги та повторного запалення.
(a) Еквівалентна схема. (b) Переривання дуги в точці переходу струму через нуль. (c) Переривання дуги перед точкою переходу струму через нуль.
Зрізання струму та високочастотні перехідні явища
У випадку зрізання струму, нестабільність дуги близько до точки переходу струму через нуль може призвести до потоку високочастотних перехідних струмів у суміжні компоненти мережі. Цей високочастотний струм накладається на менший струм частоти мережі, який фактично зрізається до нуля. Конкретно:
Нестабільність дуги близько до точки переходу струму через нуль: Коли струм наближається до нуля, дуга може стати нестабільною, генеруючи високочастотні перехідні струми. Ці струми накладаються на вже маленький струм частоти мережі, що ще більше ускладнює перехідну відповідь системи.
Вплив високочастотних перехідних струмів: Наявність високочастотних перехідних струмів може призводити до перевищення напруги та повторного запалення, особливо в індуктивних навантаженнях. Через швидкі зміни цих струмів вони можуть створювати надзвичайно високі піки напруги за короткий час, що становить загрозу для ізоляційних матеріалів системи.
Віртуальне зрізання та його наслідки
У випадку віртуального зрізання, нестабільність дуги підсилюється коливаннями з суміжними фазами, що призводить до генерації високочастотних струмів, навіть до досягнення нуля струму. Конкретно:
Механізм віртуального зрізання: Віртуальне зрізання зазвичай відбувається, коли струм близький до, але не досягнув нуля. На цьому етапі дуга може взаємодіяти з коливаннями від суміжних фаз, що призводить до генерації високочастотних струмів. Це ще більше destabilizes систему та збільшує ризик повторного запалення.
Спостережуване явище: Віртуальне зрізання було спостережено в газових дугах в повітрі, SF6 та маслі. Дуги в вакуумі також є високо чутливими до зрізання струму, оскільки дуга в вакуумній середовищі більш чутлива до зовнішніх умов, що призводить до збільшення нестабільності.
Причини зрізання та повторного запалення
Явища зрізання та повторного запалення, а також пов'язані з ними високочастотні коливні перевищення напруги, в основному пов'язані з конструкцією автомата. Конкретно:
Конструкція для великих аварійних струмів: Автомати зазвичай проектуються для обробки великих аварійних струмів. Якщо конструкція зосереджена лише на ефективному виконанні для великих струмів, вона може бути так само ефективною для малих струмів, намагаючись перервати їх до їхнього природного переходу через нуль.
Небажані наслідки: Цей підхід до конструкції може призводити до зрізання струму та повторного запалення, що призводить до перевищення напруги та інших небажаних ефектів. Наприклад, перевищення напруги може пошкодити ізоляцію системи, що призводить до виходу з ладу обладнання або скорочення терміну служби.
Оптимізація конструкції автомата
Для ефективного вирішення проблем как малих, так и великих струмів, конструкція автомата повинна включати багато характеристик, щоб забезпечити надійну роботу в різних умовах. Конкретні рекомендації включають:
Балансування продуктивності для малих та великих струмів: Конструкція автомата повинна враховувати як малих, так и великих струмів, уникати перевищення оптимізації одного типу на шкоду іншому. Наприклад, регулювання матеріалів контактів, конструкції камери гасіння дуги та стратегій керування може допомогти збалансувати продуктивність на різних рівнях струму.
Зменшення високочастотних коливань: Конструкція повинна бути спрямована на зменшення високочастотних коливань, особливо близько до точки переходу струму через нуль. Це можна досягти, вводячи відповідні демпфуючі елементи або оптимізуючи параметри цепі для пригнічення високочастотних перехідних струмів.
Покращення продуктивності ізоляції: Для обробки потенційних перевищень напруги, конструкція ізоляції автомата повинна мати достатню електричну прочність. Вибір високопродуктивних ізоляційних матеріалів та оптимізація структури ізоляції може забезпечити надійну ізоляцію навіть у крайніх умовах.
