Създаване на условия при кратко замыкание за комутационно оборудване

Подробно Обяснение на Феномена на Потокът на Строящия Ток и Предварителното Ударяване в Апаратурата за Комутация
В апаратура за комутация, особено в автоматични прекъсвачи (CB) и превключватели с откъсване на натоварването (LBS), потокът на строящия ток се отнася до процеса, по който електрическата дъга се инициира, когато контактите започнат да се затварят. Този процес не започва точно когато контактите физически се докоснат, а може да се случи няколко милисекунди по-рано поради феномен, известен като предварително ударяване. По-долу е подробно обяснение на този феномен и неговите последствия.
1. Предварително Ударяване: Иницииране на Дъгата Преди Физическия Контакт
•    Диелектрично Разрушаване: Когато контактите се приближават един към друг по време на операцията за затваряне, изолиращата среда (например въздух, SF6 или вакуум) между тях изпитва диелектрично разрушаване. Това се случва, защото електрическото поле в празнината между контактите се увеличава, докато те се приближават. Когато силата на полето надхвърли диелектричната устойчивост на изолиращата среда, празнината се разбива и се инициира комутационна дъга.
•    Натрупване на Електрическо Поле: Електрическото поле между контактите се натрупва, докато те се движат един към друг. Това поле е пропорционално на напрежението между контактите и обратно пропорционално на разстоянието между тях. Когато полето стане достатъчно силно, то причинява йонизация на газовите молекули в празнината, водейки до формиране на проводим път за потока на тока.
•    Иницииране на Дъгата: Дъгата се инициира преди контактите да се докоснат, обикновено няколко милисекунди по-рано. Това ранно иницииране на дъгата се нарича предварително ударяване. По време на предварителното ударяване, дъгата се формира в малката празнина между контактите, и токът започва да протича през дъгата, вместо да чака контактите да направят физически контакт.
2. Последствията от Предварителното Ударяване
•    Преувеличено Разтопяване на Повърхностите на Контактите: Ако енергията, включена в предварителното ударяване, е голяма, тя може да причини преувеличено разтопяване на повърхностите на контактите. Това е особено проблематично при условия на краткосрочно замыкание, когато токът може да бъде изключително висок. Разтопената метална маса на повърхностите на контактите може да доведе до сваряване на контактите, където двете повърхности се съединяват.
•    Сваряване на Контактите: Сварените контакти могат да попречат на комутационния апарат да реагира правилно на следващата команда за отваряне. Ако механизът за управление на апаратурата за комутация не предоставя достатъчна сила, за да разбие сварените точки, устройството може да не отвори правилно, водейки до потенциални безопасностни рискове и повреда на оборудването.
•    Характеристики на Краткосрочния Ток: Краткосрочните токове често съдържат DC компонент, който може да доведе до много по-висока върхова стойност на тока, отколкото при чисто AC краткосрочен ток. Това увеличена върхова стойност на тока може да засили ефектите от предварителното ударяване, водейки до по-сериозни повреди на контактите и сваряване.
•    Зависимост на Напрежението на Дъгата: Напрежението между дъгата (напрежение на дъгата) е силно зависещо от използваната изолираща среда в апаратурата за комутация. Даже с много кратки дъги, може да има значителни падове на напрежението близо до електродите. Това е, защото съпротивлението на дъгата не е равномерно по дължината ѝ, и районите близо до електродите обикновено имат по-високо съпротивление поради концентрацията на топлина и йонизирани частици.
3. Затваряне при Условия на Краткосрочно Замыкание
•    Автоматични Прекъсвачи (CB): В автоматични прекъсвачи, операцията за затваряне при условия на краткосрочно замыкание е особено трудна. Високите нива на тока и наличието на DC компонент могат да доведат до интензивна дъга и повреди на контактите. Съвременните автоматични прекъсвачи са проектирани с напредъчни материали и охлаждателни механизми, за да намалят тези ефекти, но предварителното ударяване остава проблем.
•    Превключватели с Откъсване на Натоварването (LBS): Превключвателите с откъсване на натоварването също са подложени на предварително ударяване по време на операцията за затваряне, особено в приложения с висок ток. Но, LBS устройства обикновено се използват в приложения с по-ниско напрежение и по-нисък ток, сравнено с автоматичните прекъсвачи, така че рискът от сериозни повреди на контактите е обикновено по-нисък.
4. Етапи на Операцията за Затваряне в Апаратурата за Комутация
Операцията за затваряне на апаратурата за комутация може да се раздели на няколко етапа, както е показано на фигурата:
•    Етап 1: Първоначално Приближаване на Контактите: Контактите започват да се движат един към друг, и електрическото поле между тях започва да се натрупва. На този етап, няма поток на ток, но потенциалът за предварително ударяване се увеличава.
•    Етап 2: Формиране на Дъга при Предварително Ударяване: Когато контактите се приближат, електрическото поле надхвърля диелектричната устойчивост на изолиращата среда, причинявайки диелектрично разрушаване. Се формира дъга при предварително ударяване, и токът започва да протича през дъгата, преди контактите да се докоснат.
•    Етап 3: Физически Контакт и Прехвърляне на Дъгата: Контактите накрая правят физически контакт, и дъгата се прехвърля от празнината между контактите към повърхностите на контактите. Токът продължава да протича през сега затворения цеп.
•    Етап 4: Равновесна Операция: След като контактите са напълно затворени, системата влиза в равновесна операция, и токът протича през затворените контакти без никаква дъга.
5. Стратегии за Намаляване на Ефектите
За да се минимизират ефектите от предварителното ударяване и сваряването на контактите, могат да се използват няколко дизайнерски и операционни стратегии:
•    Използване на Изолиращи Среди с Висока Диелектрична Устойчивост: Използването на изолиращи среди с висока диелектрична устойчивост, като газ SF6 или вакуум, може да намали вероятността за предварително ударяване, като изисква по-високо електрическо поле, за да се инициира разрушаването.
•    Напредъчни Материалите за Контакти: Използването на материалите за контакти с високи температури на топене и добра термична проводимост може да помогне за намаляване на повредите на контактите по време на предварителното ударяване. Материалите като мед-вольфрамови сплави се използват обикновено в високонапреженската апаратура за комутация.
•    Механизми за Охлаждане: Инкорпорирането на механизми за охлаждане, като пъфферни системи или принудително газово течение, може да помогне за разсейване на топлината от дъгата и намаляване на температурата на повърхностите на контактите, минимизирайки риска от сваряване.
•    Подобрения в Механичния Дизайн: Осигуряването, че механизмът за управление предоставя достатъчна сила, за да разбие всички сварени точки по време на операцията за отваряне, може да предотврати апаратура за комутацията от невъзможността да се отвори правилно.
•    Системи за Защита: Реализирането на системи за защита, като реле за прекомерен ток и механизми за детектиране на дефект, може да помогне за бързо детектиране и реагиране на условията на краткосрочно замыкание, намалявайки продължителността и интензивността на дъгата.
Заключение
Феноменът на предварителното ударяване, когато дъгата се инициира преди контактите физически да се докоснат, е ключов аспект на операцията за затваряне в апаратурата за комутация. Той може да доведе до преувеличено повредяване на контактите, сваряване и потенциално съборяване на комутационния апарат. Разбирането на факторите, които допринасят за предварителното ударяване, като натрупването на електрическо поле и характеристиките на изолиращата среда, е съществено за проектирането и функционирането на надеждна апаратура за комутация. Чрез използване на подходящи стратегии за намаляване, като използването на изолиращи среди с висока диелектрична устойчивост, напредъчни материали за контакти и механизми за охлаждане, ефектите от предварителното ударяване могат да бъдат минимизирани, осигурявайки безопасна и надеждна работа на апаратурата за комутация както в автоматични прекъсвачи, така и в превключватели с откъсване на натоварването.