Oprettelse af betingelser under kortslutningsstrøm for skabsskifter

Detaljeret Forklaring af Strømtilførsel og Pre-Strike Fænomen i Skifter
I skifter, især i strømbrydere (CB) og lastafbrydere (LBS), refererer strømtilførsel til processen, hvor en elektrisk bue initieres, når kontakterne begynder at lukke. Denne proces starter ikke nøjagtigt, når kontakterne fysisk rører hinanden, men kan forekomme flere millisekunder tidligere på grund af et fænomen kendt som pre-strike. Nedenfor er en detaljeret forklaring af dette fænomen og dets implikationer.
1. Pre-Strike: Initiering af Bue Før Kontakt Rører Hinanden
•    Dielektrisk Nedbrydning: Da kontakterne nærmer sig hinanden under lukningsoperationen, oplever den isolerende medium (som luft, SF6 eller vakuum) mellem dem en dielektrisk nedsammenbrud. Dette sker, fordi det elektriske felt i gabet mellem kontakterne stiger, da de kommer tættere på hinanden. Når feltstyrken overstiger dielektrisk styrke af det isolerende medium, brister gabet, og en skiftbue initieres.
•    Opgørelse af Elektrisk Felt: Det elektriske felt mellem kontakterne opbygges, da de bevæger sig mod hinanden. Dette felt er proportionalt med spændingen over kontakterne og omvendt proportional med afstanden mellem dem. Når feltet bliver tilstrækkelig stærkt, forårsager det ionisering af gasmolekyler i gabet, hvilket fører til dannelse af en ledende vej for strømmen til at flyde.
•    Initiering af Bue: Bue initieres, før kontakterne rent faktisk rører hinanden, typisk flere millisekunder tidligere. Denne tidlige initiering af bue kaldes pre-strike. Under pre-strike dannes bue i det lille gab mellem kontakterne, og strømmen begynder at flyde gennem bue i stedet for at vente på, at kontakterne fysisk rører hinanden.
2. Implikationer af Pre-Strike
•    For stor Smeltning af Kontaktoverflader: Hvis energien involveret i pre-strike er stor, kan det forårsage for stor smeltning af kontaktoverflader. Dette er særlig problematisk under kortslutningsforhold, hvor strømmen kan være ekstremt høj. Det smeltede metal på kontaktoverfladerne kan føre til svinding af kontakter, hvor de to overflader smelter sammen.
•    Svinding af Kontakter: Svindede kontakter kan forhindre skiftudstyret i at reagere passende på den næste åbningskommando. Hvis driftsmechanismen i skiftudstyret ikke leverer tilstrækkelig kraft til at bryde de svindede punkter, kan enheden mislykkes med at åbne korrekt, hvilket kan føre til potentielle sikkerhedshensyn og udstyrsskade.
•    Kortslutningsstrøm Karakteristika: Kortslutningsstrømme indeholder ofte en DC-komponent, som kan forårsage, at topværdien af strømmen er meget højere end ved en ren AC kortslutningsstrøm. Denne øgede topstrøm kan forstærke effekten af pre-strike, hvilket fører til mere alvorlig kontaktbeskadigelse og svinding.
•    Bue Spændingsafhængighed: Spændingen over bue (bue spænding) er højst afhængig af den afbrydende medium, der anvendes i skiftudstyret. Selv med meget korte buelængder kan der være betydelige spændingsfald nær elektroderne. Dette skyldes, at bue modstand ikke er uniform langs dens længde, og regionerne nær elektroderne har ofte højere modstand på grund af koncentrationen af varme og ioniserede partikler.
3. Lukning Under Kortslutningsforhold
•    Strømbrydere (CB): I strømbrydere er lukningsoperationen under kortslutningsforhold særdeles udfordrende. De høje strømniveauer og tilstedeværelsen af en DC-komponent kan føre til intens bue og kontaktbeskadigelse. Moderne strømbrydere er designet med avancerede materialer og kølemechanismer for at mildne disse effekter, men pre-strike er stadig en bekymring.
•    Lastafbrydere (LBS): Lastafbrydere er også sårbare over for pre-strike under lukningsoperation, især i højestrømsapplikationer. Dog anvendes LBS-enheder typisk i lavere spændinger og lavere strøm sammenlignet med strømbrydere, så risikoen for alvorlig kontaktbeskadigelse er generelt lavere.
4. Trin i Lukningsoperationen i Skiftudstyr
Lukningsoperationen i skiftudstyr kan opdeles i flere trin, som vist på figuren:
•    Trin 1: Indledende Tilgang af Kontakter: Kontakterne begynder at bevæge sig mod hinanden, og det elektriske felt mellem dem begynder at opbygges. På dette trin flyder ingen strøm, men potentialet for pre-strike stiger.
•    Trin 2: Dannelse af Pre-Strike Bue: Da kontakterne kommer tættere, overstiger det elektriske felt dielektrisk styrke af det isolerende medium, hvilket fører til en dielektrisk nedsammenbrud. En pre-strike bue dannes, og strømmen begynder at flyde gennem bue, før kontakterne rører hinanden.
•    Trin 3: Kontakt Rører og Bue Overførsel: Kontakterne rører endelig fysisk hinanden, og bue overføres fra gabet mellem kontakterne til kontaktoverfladerne. Strømmen fortsætter at flyde gennem det nu lukkede kredsløb.
•    Trin 4: Stabiltilstand Operation: Efter at kontakterne fuldt ud er lukket, går systemet over i stabiltilstandsoperation, og strømmen flyder gennem de lukkede kontakter uden noget bue.
5. Mildning Strategier
For at minimere effekterne af pre-strike og kontakt svinding, kan flere design- og driftsstrategier anvendes:
•    Anvendelse af Isolerende Midler med Høj Dielektrisk Styrke: Ved at bruge isolerende midler med høj dielektrisk styrke, som SF6-gas eller vakuum, kan sandsynligheden for pre-strike reduceres ved at kræve et højere elektrisk felt for at initiere nedbrydning.
•    Avancerede Kontakt Materialer: Ved at bruge kontaktmaterialer med høje smeltepunkter og god termisk ledningsevne kan kontaktbeskadigelse under pre-strike reduceres. Materialer som kobber-volfram legeringer anvendes ofte i høvspændings skiftudstyr.
•    Kølemechanismer: Ved at indarbejde kølemechanismer, som puffer systemer eller tvunget gasflow, kan varme fra bue dissiperes og temperaturen af kontaktoverfladerne reduceres, hvilket minimaliserer risikoen for svinding.
•    Mekaniske Design Forbedringer: Ved at sikre, at driftsmechanismen leverer tilstrækkelig kraft til at bryde eventuelle svindede punkter under åbningsoperation, kan skiftudstyret forhindres i at mislykkes med at åbne korrekt.
•    Beskyttelsessystemer: Implementering af beskyttelsessystemer, som overskridelsesstrøm relæer og fejlregistrering mekanismer, kan hjælpe med at registrere og reagere hurtigere på kortslutningsforhold, hvilket reducerer varigheden og intensiteten af bue.
Konklusion
Pre-strike fænomenet, hvor bue initieres, før kontakterne fysisk rører hinanden, er en kritisk aspekt af lukningsoperationen i skiftudstyr. Det kan føre til for stor kontaktbeskadigelse, svinding og potentielt mislykkedes funktion af skiftudstyret. At forstå de faktorer, der bidrager til pre-strike, som opbygningen af det elektriske felt og karakteristikkerne af det isolerende medium, er afgørende for at designe og drifte pålideligt skiftudstyr. Ved at anvende passende mildning strategier, som brug af isolerende midler med høj dielektrisk styrke, avancerede kontaktmaterialer og kølemechanismer, kan effekterne af pre-strike minimaliseres, hvilket sikrer sikker og pålidelig drift af skiftudstyr både i strømbrydere og lastafbrydere.