Điện áp Phục hồi Tạm thời (TRV) trong Quá trình Ngắt Dòng Dẫn Nhỏ bằng Cầu Chì
Phân tích hiện tượng quá độ trong hệ thống tuyến tính sử dụng nguyên lý chồng chất
Trong việc phân tích hiện tượng quá độ do các thao tác đóng cắt trong hệ thống tuyến tính, nguyên lý chồng chất là một công cụ mạnh mẽ. Bằng cách kết hợp giải pháp ổn định tồn tại trước thao tác mở mạch với các phản ứng quá độ do nguồn điện áp ngắn mạch và nguồn dòng điện mở mạch, và xem xét dòng điện được tiêm qua tiếp điểm của cầu chì, có thể thu được mô tả toàn diện về quá trình chuyển mạch.
Phân tích quá độ cho các thao tác mở mạch
Trong quá trình thao tác mở mạch, dòng điện chảy qua đầu cuối của cầu chì phải trở thành không sau khi thao tác. Do đó, dòng điện được tiêm vào hệ thống phải bằng dòng điện đã chảy qua đầu cuối của cầu chì trước khi mở. Khi tiếp điểm bắt đầu tách ra, điện áp phục hồi tạm thời (TRV) lập tức xuất hiện giữa các tiếp điểm. TRV xuất hiện ngay sau khi dòng điện đạt đến không và thường kéo dài vài miligiây trong các hệ thống thực tế. Trong các hệ thống điện thực tế, đặc tính của TRV rất quan trọng đối với hiệu suất và độ tin cậy của cầu chì.
Tầm quan trọng của Điện áp Phục hồi Tạm thời (TRV)
Hiểu rõ về hiện tượng quá độ liên quan đến các thao tác của cầu chì trong hệ thống điện có thể cải thiện đáng kể các phương pháp kiểm tra và tăng cường độ tin cậy của thiết bị chuyển mạch. Các tiêu chuẩn quy định các giá trị đặc trưng khuyến nghị để mô phỏng TRV, giúp kỹ sư dự đoán và thiết kế tốt hơn hành vi của các thiết bị chuyển mạch.
Các loại chuyển mạch khác nhau
Biểu đồ sau đây minh họa TRV tại các đầu cuối của cầu chì khi ngắt dòng điện trong các mạch đơn giản. Mỗi trường hợp tạo ra các dạng sóng khác nhau, tùy thuộc vào bản chất của mạch:
Tải kháng: Đối với tải kháng thuần túy, dòng điện nhanh chóng giảm xuống không sau thao tác chuyển mạch, dẫn đến dạng sóng TRV tương đối mượt mà.
Tải cảm: Đối với tải cảm, điện áp trên cuộn cảm đạt giá trị tối đa khi dòng điện trở thành không. Vì cuộn cảm lưu trữ năng lượng, cần phải tiêu tán qua các thành phần khác (như tụ điện), nên xảy ra dao động. Các dao động này do sự chuyển năng lượng giữa cuộn cảm và tụ điện.
Tải dung: Đối với tải dung, dòng điện dần dần giảm sau thao tác chuyển mạch, trong khi điện áp tăng nhanh. Dạng sóng TRV thường thể hiện xung điện áp tăng nhanh.
Ngắt dòng điện nhỏ và hiện tượng cắt dòng ảo
Trong hệ thống điện, việc ngắt dòng điện nhỏ có thể dẫn đến hiện tượng gọi là cắt dòng và cắt dòng ảo. Các hiện tượng này có ảnh hưởng đáng kể đến điện áp phục hồi tạm thời (TRV) và có thể gây ra hiện tượng quá điện áp và tái đốt.
Ngắt dòng bình thường so với cắt dòng
Ngắt dòng bình thường: Khi dòng điện được ngắt tự nhiên tại điểm giao nhau, đây là thao tác chuyển mạch lý tưởng. Trong trường hợp này, TRV thường nằm trong giới hạn quy định, và không có hiện tượng quá điện áp hoặc tái đốt.
Cắt dòng: Nếu dòng điện bị ngắt sớm trước khi đạt đến không, hiện tượng này được gọi là cắt dòng. Việc ngắt dòng đột ngột dẫn đến việc tạo ra điện áp quá cao tạm thời, có thể gây ra hiện tượng tái đốt tần số cao. Loại ngắt dòng bất thường này tiềm ẩn nguy cơ cho cầu chì và hệ thống.
Hậu quả của cắt dòng
Khi cầu chì ngắt dòng gần đỉnh, điện áp gần như ngay lập tức tăng lên. Nếu điện áp quá cao vượt quá sức chịu đựng điện môi quy định cho cầu chì, tái đốt xảy ra. Khi quá trình này lặp lại nhiều lần, điện áp tiếp tục tăng nhanh do tái đốt tần số cao. Dao động tần số cao này được điều khiển bởi các thông số điện của mạch liên quan, cấu hình mạch và thiết kế của cầu chì, dẫn đến điểm giao nhau trước khi dòng điện tần số công suất thực sự đạt đến không.
Sự khác biệt giữa cắt dòng và cắt dòng ảo
Cắt dòng: Xảy ra khi dòng điện bị ngắt trước khi đạt đến không, dẫn đến điện áp quá cao tạm thời và tái đốt tần số cao.
Cắt dòng ảo: Xảy ra khi dòng điện bị ngắt ngay trước khi đạt đến không, mặc dù rất gần không. Điều này vẫn có thể gây ra điện áp quá cao nhẹ và tái đốt.
So sánh điện áp phía tải và TRV
Biểu đồ sau đây so sánh điện áp phía tải và TRV trong hai kịch bản khác nhau:
Ngắt dòng tại điểm giao nhau: Trong trường hợp này, điện áp phía tải tăng đều, và TRV nằm trong giới hạn quy định, đảm bảo hoạt động bình thường của hệ thống.
Ngắt dòng trước điểm giao nhau (cắt dòng): Ở đây, điện áp phía tải tăng nhanh, và TRV tăng đáng kể, có thể dẫn đến điện áp quá cao và tái đốt. Rõ ràng từ ví dụ này, kịch bản thứ hai nghiêm trọng hơn.
Tầm quan trọng của việc hiểu cắt dòng
Để hiểu rõ hơn về tác động của cắt dòng, hãy bỏ qua tác động của tổn thất phía tải. Sau khi dòng điện bị ngắt tại điểm giao nhau, năng lượng được lưu trữ ở phía tải chủ yếu trong tụ điện, nơi điện áp đạt giá trị tối đa. Tuy nhiên, nếu dòng điện bị cắt trước khi đạt đến không, năng lượng trong tụ điện không thể được tiêu tán hoàn toàn, dẫn đến tăng nhanh điện áp và vấn đề điện áp quá cao và tái đốt.
(a) Mạch tương đương. (b) Ngắt hồ quang tại điểm giao nhau. (c) Ngắt hồ quang trước điểm giao nhau.
Cắt dòng và hiện tượng quá độ tần số cao
Trong trường hợp cắt dòng, sự bất ổn định của hồ quang gần điểm giao nhau có thể dẫn đến dòng điện quá độ tần số cao chảy vào các thành phần mạng liền kề. Dòng điện tần số cao này phủ lên dòng điện tần số công suất nhỏ, vốn đã bị cắt thành không. Cụ thể:
Bất ổn định hồ quang gần điểm giao nhau: Khi dòng điện tiến gần đến không, hồ quang có thể trở nên bất ổn, tạo ra dòng điện quá độ tần số cao. Các dòng điện này phủ lên dòng điện tần số công suất nhỏ, làm phức tạp thêm phản ứng quá độ của hệ thống.
Tác động của dòng điện quá độ tần số cao: Sự có mặt của dòng điện quá độ tần số cao có thể gây ra điện áp quá cao và tái đốt, đặc biệt là trong tải cảm. Do sự thay đổi nhanh chóng của các dòng điện này, chúng có thể tạo ra đỉnh điện áp cực kỳ cao trong thời gian ngắn, đe dọa vật liệu cách điện trong hệ thống.
Cắt dòng ảo và tác động của nó
Trong trường hợp cắt dòng ảo, sự bất ổn định của hồ quang được làm trầm trọng hơn bởi dao động với các pha liền kề, dẫn đến việc tạo ra dòng điện tần số cao ngay cả trước khi dòng điện đạt đến không. Cụ thể:
Mechanism of Virtual Chopping: Cắt dòng ảo thường xảy ra khi dòng điện gần nhưng chưa đạt đến không. Tại điểm này, hồ quang có thể tương tác với dao động từ các pha liền kề, dẫn đến việc tạo ra dòng điện tần số cao. Điều này làm mất ổn định hệ thống và tăng nguy cơ tái đốt.
Hiện tượng quan sát: Cắt dòng ảo đã được quan sát trong hồ quang khí trong không khí, SF6 và dầu. Hồ quang chân không cũng rất nhạy cảm với cắt dòng vì hồ quang trong môi trường chân không dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện bên ngoài, dẫn đến tăng độ bất ổn.
Nguyên nhân của cắt dòng và tái đốt
Các hiện tượng cắt dòng và tái đốt, cùng với điện áp quá cao dao động tần số cao, chủ yếu được quy cho thiết kế của cầu chì. Cụ thể:
Thiết kế cho dòng điện lỗi lớn: Cầu chì thường được thiết kế để xử lý dòng điện lỗi lớn. Nếu thiết kế tập trung vào hiệu suất hiệu quả cho dòng điện lớn, nó cũng có thể hiệu quả cho dòng điện nhỏ, cố gắng ngắt chúng trước khi chúng tự nhiên đạt đến điểm giao nhau.
Hậu quả bất lợi: Phương pháp thiết kế này có thể dẫn đến cắt dòng và tái đốt, gây ra điện áp quá cao và các tác động không mong muốn khác. Ví dụ, điện áp quá cao có thể làm hỏng cách điện của hệ thống, dẫn đến hỏng hóc thiết bị hoặc giảm tuổi thọ.
Tối ưu hóa thiết kế cầu chì
Để giải quyết hiệu quả cả dòng điện nhỏ và lớn, thiết kế cầu chì nên bao gồm nhiều tính năng để đảm bảo hiệu suất đáng tin cậy dưới các điều kiện khác nhau. Các khuyến nghị cụ thể bao gồm:
Cân bằng hiệu suất cho dòng điện nhỏ và lớn: Thiết kế cầu chì nên xem xét cả dòng điện nhỏ và lớn, tránh tối ưu hóa quá mức cho một loại mà bỏ qua loại khác. Ví dụ, điều chỉnh vật liệu tiếp xúc, thiết kế buồng dập hồ quang và chiến lược kiểm soát có thể giúp cân bằng hiệu suất ở các mức dòng điện khác nhau.
Giảm dao động tần số cao: Thiết kế nên nhằm mục đích giảm thiểu dao động tần số cao, đặc biệt là gần điểm giao nhau. Điều này có thể đạt được bằng cách đưa vào các yếu tố giảm chấn thích hợp hoặc tối ưu hóa các thông số mạch để kiềm chế dòng điện quá độ tần số cao.
Nâng cao hiệu suất cách điện: Để xử lý điện áp quá cao tiềm năng, thiết kế cách điện của cầu chì nên có sức chịu đựng điện môi đủ. Chọn vật liệu cách điện hiệu suất cao và tối ưu hóa cấu trúc cách điện có thể đảm bảo cách điện đáng tin cậy ngay cả trong các điều kiện cực đoan.
