Fer condicions sota corrent de curcircuit per a aparells IEE-Business

Explicació Detallada del Flux de la Corrent i el Fenomen Pre-impacte en Aparells de Maniobra
En els aparells de maniobra, especialment en els interruptors automàtics (CB) i els commutadors de càrrega (LBS), el flux de corrent es refereix al procés per el qual s'inicia un arc elèctric quan els contactes comencen a tancar-se. Aquest procés no comença exactament quan els contactes toquen físicament, sinó que pot ocurrir diversos mil·lisegons abans degut a un fenomen conegut com a pre-impacte. A continuació, es proporciona una explicació detallada d'aquest fenomen i les seves implicacions.
1. Pre-impacte: Inici de l'Arc Abans del Contacte Físic
•    Rompiment Dielèctric: Quan els contactes s'aproximen l'un a l'altre durant l'operació de tancament, el medi aïllant (com l'aire, SF6 o el buit) entre ells patix un rompiment dielèctric. Això ocorre perquè el camp elèctric a la brecha entre els contactes augmenta a mesura que s'acosten. Quan la força del camp supera la resistència dielèctrica del medi aïllant, la brecha es trenc i s'inicia un arc de commutació.
•    Acumulació del Camp Elèctric: El camp elèctric entre els contactes s'acumula a mesura que es mouen cap a l'altre. Aquest camp és proporcional al voltatge entre els contactes i inversament proporcional a la distància entre ells. Quan el camp esdevé suficientment fort, provoca la ionització de les molècules de gas a la brecha, conduint a la formació d'un camí conductor per a la corrent.
•    Inici de l'Arc: L'arc es inicia abans que els contactes toquin físicament, típicament diversos mil·lisegons abans. Aquest inici precoç de l'arc es coneix com a pre-impacte. Durant el pre-impacte, l'arc es forma en la petita brecha entre els contactes, i la corrent comença a fluir a través de l'arc en comptes d'esperar que els contactes facin contacte físic.
2. Implicacions del Pre-impacte
•    Fusionament Excessiu de les Superfícies dels Contactes: Si l'energia involucrada en el pre-impacte és gran, pot causar un fusionament excessiu de les superfícies dels contactes. Això és particularment problemàtic en condicions de curto-circuit, on la corrent pot ser extremadament alta. El metall fonit en les superfícies dels contactes pot provocar la soldadura dels contactes, on les dues superfícies es funden.
•    Soldadura dels Contactes: Els contactes soldats poden impedir que el dispositiu de commutació respongui adequadament a la següent ordre d'obertura. Si el mecanisme d'operació de l'aparell de maniobra no proporciona força suficient per trencar els punts soldats, el dispositiu pot fallar a obrir correctament, provocant possibles riscos de seguretat i danys a l'equipament.
•    Característiques de la Corrent de Curto-Circuit: Les corrents de curto-circuit sovint contenen un component DC, que pot fer que el valor màxim de la corrent sigui molt més alt que el d'una corrent de curto-circuit purament AC. Aquest increment del valor màxim de la corrent pot exacerbacar els efectes del pre-impacte, conduint a daños més severos als contactes i a la soldadura.
•    Dependència de la Tensió de l'Arc: La tensió a través de l'arc (tensió de l'arc) depèn molt del medi interrompible utilitzat en l'aparell de maniobra. Encara amb longituds d'arc molt curtes, hi pot haver caigudes de tensió significatives properes a les electrodos. Això és degut a que la resistència de l'arc no és uniforme al llarg de la seva longitud, i les regions properes a les electrodos tendeixen a tenir una resistència més alta degut a la concentració de calor i partícules ionitzades.
3. Tancament en Condicions de Curto-Circuit
•    Interruptors Automàtics (CB): En els interruptors automàtics, l'operació de tancament en condicions de curto-circuit és particularment complexa. Els nivells elevats de corrent i la presència d'un component DC poden portar a arcos intensos i daños als contactes. Els interruptors automàtics moderns estan dissenyats amb materials avançats i mecanismes de refrigeració per mitigar aquests efectes, però el pre-impacte continua sent una preocupació.
•    Commutadors de Càrrega (LBS): Els commutadors de càrrega també són susceptibles al pre-impacte durant l'operació de tancament, especialment en aplicacions d'alta corrent. Tanmateix, els dispositius LBS solen utilitzar-se en aplicacions de baixa tensió i baixa corrent en comparació amb els interruptors automàtics, així que el risc de daños severos als contactes és generalment menor.
4. Etapes de l'Operació de Tancament en Aparells de Maniobra
L'operació de tancament en aparells de maniobra es pot dividir en diverses etapes, com es mostra a la figura:
•    Etapa 1: Aproximació Inicial dels Contactes: Els contactes comencen a moure's cap a l'altre, i el camp elèctric entre ells comença a acumular-se. En aquesta etapa, no flueix cap corrent, però el potencial de pre-impacte està augmentant.
•    Etapa 2: Formació de l'Arc de Pre-impacte: A mesura que els contactes s'acosten, el camp elèctric supera la resistència dielèctrica del medi aïllant, causant un rompiment dielèctric. Es forma un arc de pre-impacte, i la corrent comença a fluir a través de l'arc abans que els contactes toquin.
•    Etapa 3: Contacte Físic i Transferència de l'Arc: Finalment, els contactes fan contacte físic, i l'arc es transferix de la brecha entre els contactes a les superfícies dels contactes. La corrent continua fluix a través del circuit tancat.
•    Etapa 4: Operació en Estat Estable: Un cop els contactes estan totalment tancats, el sistema entra en operació en estat estable, i la corrent flueix a través dels contactes tancats sense cap arc.
5. Estratègies de Mitigació
Per minimitzar els efectes del pre-impacte i la soldadura dels contactes, es poden utilitzar diverses estratègies de disseny i operació:
•    Ús de Medis Aïllants d'Alta Resistència Dielèctrica: Utilitzar medis aïllants amb alta resistència dielèctrica, com el gas SF6 o el buit, pot reduir la probabilitat de pre-impacte requerint un camp elèctric més elevat per iniciar el rompiment.
•    Materials Avançats per als Contactes: Utilitzar materials per als contactes amb punts de fusió elevats i bona conductivitat tèrmica pot ajudar a reduir els daños als contactes durant el pre-impacte. Materials com les lligatures de cobre-tungstè s'utilitzen habitualment en aparells de maniobra de alta tensió.
•    Mecanismes de Refrigeració: Incorporar mecanismes de refrigeració, com sistemes de soflador o flux forçat de gas, pot ajudar a dissipar el calor de l'arc i reduir la temperatura de les superfícies dels contactes, minimitzant el risc de soldadura.
•    Milloraments en el Disseny Mecànic: Assegurar-se que el mecanisme d'operació proporciona força suficient per trencar qualsevol punt soldat durant l'operació d'obertura pot prevenir que l'aparell de maniobra falli a obrir correctament.
•    Sistemes de Protecció: Implementar sistemes de protecció, com relés de sobrecorrent i mecanismes de detecció de falles, pot ajudar a detectar i respondre més ràpidament a les condicions de curto-circuit, reduint la durada i la intensitat de l'arc.
Conclusió
El fenomen del pre-impacte, on l'arc es inicia abans que els contactes toquin físicament, és un aspecte crític de l'operació de tancament en aparells de maniobra. Pot portar a daños excessius als contactes, soldadura i potencial fallida del dispositiu de commutació. Entendre els factors que contribueixen al pre-impacte, com l'acumulació del camp elèctric i les característiques del medi aïllant, és essencial per dissenyar i operar aparells de maniobra fiables. Emprant estratègies de mitigació adequades, com l'ús de medis aïllants d'alta resistència dielèctrica, materials avançats per als contactes i mecanismes de refrigeració, els efectes del pre-impacte es poden minimitzar, assegurant una operació segura i fiable en tant que interruptors automàtics i commutadors de càrrega.