ساخت شرایط تحت جریان کوتاه مدار برای تجهیزات قطع کننده
کاربرد جریان و پدیده پیش زنگ در دستگاه‌های تغییر مسیر الکتریکی
در دستگاه‌های تغییر مسیر الکتریکی، به ویژه در برش‌کننده‌ها (CB) و کلیدهای بار (LBS)، جریان ایجاد شده به فرآیندی اشاره دارد که با نزدیک شدن تماس‌ها، قوس الکتریکی آغاز می‌شود. این فرآیند دقیقاً زمانی که تماس‌ها فیزیکی به هم می‌رسند آغاز نمی‌شود بلکه چند میلی ثانیه قبل از آن، به دلیل پدیده‌ای به نام پیش زنگ، رخ می‌دهد. در ادامه توضیحات دقیق‌تری از این پدیده و تأثیرات آن ارائه شده است.
1. پیش زنگ: آغاز قوس قبل از تماس فیزیکی
• شکست دی الکتریک: هنگامی که تماس‌ها در عملیات بسته شدن به هم نزدیک می‌شوند، محیط عایق بین آن‌ها (مانند هوا، SF6 یا خلاء) تحت شکست دی الکتریک قرار می‌گیرد. این اتفاق می‌افتد زیرا میدان الکتریکی در فاصله بین تماس‌ها با نزدیک شدن آن‌ها افزایش می‌یابد. وقتی قدرت میدان از مقاومت دی الکتریک محیط عایق بزرگتر می‌شود، فاصله شکست می‌خورد و قوس تغییر مسیر شروع می‌شود.
• ساخت میدان الکتریکی: میدان الکتریکی بین تماس‌ها هنگام حرکت آن‌ها به سمت هم ساخته می‌شود. این میدان متناسب با ولتاژ بین تماس‌ها و عکس متناسب با فاصله بین آن‌ها است. وقتی میدان به اندازه کافی قوی می‌شود، منجر به یونیزاسیون مولکول‌های گاز در فاصله می‌شود و مسیر رسانایی برای جریان ایجاد می‌کند.
• آغاز قوس: قوس قبل از تماس فیزیکی تماس‌ها، معمولاً چند میلی ثانیه زودتر، آغاز می‌شود. این آغاز زودهنگام قوس به آن پیش زنگ می‌گویند. در طول پیش زنگ، قوس در فاصله کوچک بین تماس‌ها تشکیل می‌شود و جریان از طریق قوس شروع به جریان می‌کند بدون اینکه منتظر تماس فیزیکی تماس‌ها باشد.
2. تأثیرات پیش زنگ
• ذوب بیش از حد سطوح تماس: اگر انرژی درگیر در پیش زنگ زیاد باشد، می‌تواند باعث ذوب بیش از حد سطوح تماس شود. این موضوع به ویژه در شرایط کوتاه مدار، که جریان می‌تواند بسیار بالا باشد، مشکل‌ساز است. فلز ذوب شده روی سطوح تماس می‌تواند منجر به جوش تماس‌ها شود که در آن دو سطح به هم متصل می‌شوند.
• جوش تماس‌ها: تماس‌های جوش شده می‌توانند از پاسخ صحیح دستگاه تغییر مسیر به دستور بعدی باز شدن جلوگیری کنند. اگر مکانیزم عملیاتی دستگاه تغییر مسیر نیرو کافی برای شکستن نقاط جوش شده ارائه نکند، دستگاه ممکن است نتواند به درستی باز شود که می‌تواند منجر به خطرات ایمنی و خسارت به تجهیزات شود.
• ویژگی‌های جریان کوتاه مدار: جریان‌های کوتاه مدار اغلب دارای مؤلفه DC هستند که می‌تواند باعث شود مقدار پیک جریان بسیار بیشتر از جریان کوتاه مدار خالص AC باشد. این افزایش جریان پیک می‌تواند تأثیرات پیش زنگ را تشدید کند و منجر به خسارت شدیدتر تماس‌ها و جوش شدن آن‌ها شود.
• وابستگی ولتاژ قوس: ولتاژ روی قوس (ولتاژ قوس) به میزان زیادی به محیط قطع کننده استفاده شده در دستگاه تغییر مسیر بستگی دارد. حتی با طول‌های قوس بسیار کوتاه، می‌توان تفاوت ولتاژ قابل توجهی در نزدیکی الکترودها داشت. این امر به این دلیل است که مقاومت قوس در طول آن یکنواخت نیست و مناطق نزدیک به الکترودها به دلیل تمرکز گرما و ذرات یونیزه شده مقاومت بیشتری دارند.
3. عملیات بسته شدن در شرایط کوتاه مدار
• برش‌کننده‌ها (CB): در برش‌کننده‌ها، عملیات بسته شدن در شرایط کوتاه مدار به ویژه چالش‌برانگیز است. سطوح بالای جریان و حضور مؤلفه DC می‌تواند منجر به قوس‌های شدید و خسارت تماس شود. برش‌کننده‌های مدرن با مواد پیشرفته و مکانیزم‌های خنک‌سازی طراحی شده‌اند تا این اثرات را کاهش دهند، اما پیش زنگ همچنان یک نگرانی است.
• کلیدهای بار (LBS): کلیدهای بار نیز در عملیات بسته شدن، به ویژه در کاربردهای با جریان بالا، مستعد پیش زنگ هستند. با این حال، دستگاه‌های LBS معمولاً در کاربردهای با ولتاژ و جریان پایین‌تر نسبت به برش‌کننده‌ها استفاده می‌شوند، بنابراین خطر خسارت شدید تماس عموماً کمتر است.
4. مراحل عملیات بسته شدن در دستگاه‌های تغییر مسیر
عملیات بسته شدن دستگاه‌های تغییر مسیر می‌تواند به چند مرحله تقسیم شود، همانطور که در شکل نشان داده شده است:
• مرحله ۱: نزدیک شدن اولیه تماس‌ها: تماس‌ها شروع به حرکت به سمت هم می‌کنند و میدان الکتریکی بین آن‌ها شروع به ساخت می‌کند. در این مرحله، هیچ جریانی جریان نمی‌یابد، اما احتمال پیش زنگ افزایش می‌یابد.
• مرحله ۲: تشکیل قوس پیش زنگ: با نزدیک شدن تماس‌ها، میدان الکتریکی از مقاومت دی الکتریک محیط عایق بزرگتر می‌شود و منجر به شکست دی الکتریک می‌شود. قوس پیش زنگ تشکیل می‌شود و جریان قبل از تماس فیزیکی تماس‌ها از طریق قوس شروع می‌کند.
• مرحله ۳: تماس فیزیکی و انتقال قوس: تماس‌ها در نهایت تماس فیزیکی می‌یابند و قوس از فاصله بین تماس‌ها به سطوح تماس منتقل می‌شود. جریان از طریق مدار بسته شده بدون قوس ادامه می‌یابد.
• مرحله ۴: عملیات حالت پایدار: پس از بسته شدن کامل تماس‌ها، سیستم وارد حالت عملیاتی پایدار می‌شود و جریان از طریق تماس‌های بسته بدون هیچ قوسی جریان می‌یابد.
5. استراتژی‌های کاهش اثرات
برای کاهش اثرات پیش زنگ و جوش تماس، چندین استراتژی طراحی و عملیاتی می‌تواند به کار گرفته شود:
• استفاده از محیط‌های عایق با مقاومت دی الکتریک بالا: استفاده از محیط‌های عایق با مقاومت دی الکتریک بالا، مانند گاز SF6 یا خلاء، می‌تواند احتمال پیش زنگ را با نیاز به میدان الکتریکی بیشتر برای آغاز شکست کاهش دهد.
• مواد تماس پیشرفته: استفاده از مواد تماس با نقطه ذوب بالا و هدایت حرارتی خوب می‌تواند خسارت تماس در طول پیش زنگ را کاهش دهد. موادی مانند آلیاژ برنج-تنگستن در دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ بالا معمولاً استفاده می‌شوند.
• مکانیزم‌های خنک‌سازی: ادغام مکانیزم‌های خنک‌سازی، مانند سیستم‌های بادکن یا جریان گاز اجباری، می‌تواند به پخش گرما از قوس و کاهش دمای سطوح تماس کمک کند و خطر جوش شدن را کاهش دهد.
• بهبود طراحی مکانیکی: تضمین اینکه مکانیزم عملیاتی نیرو کافی برای شکستن هر نقطه جوش شده در طول عملیات باز شدن ارائه می‌کند، می‌تواند جلوگیری کند از شکست دستگاه تغییر مسیر در باز شدن صحیح.
• سیستم‌های محافظ: اجرای سیستم‌های محافظ، مانند رله‌های بیش از حد جریان و مکانیزم‌های تشخیص خطا، می‌تواند به تشخیص و واکنش سریع‌تر به شرایط کوتاه مدار کمک کند و مدت زمان و شدت قوس را کاهش دهد.
نتیجه‌گیری
پدیده پیش زنگ، جایی که قوس قبل از تماس فیزیکی تماس‌ها آغاز می‌شود، جنبه مهمی از عملیات بسته شدن در دستگاه‌های تغییر مسیر است. این می‌تواند منجر به خسارت بیش از حد تماس، جوش شدن و شکست ممکن دستگاه تغییر مسیر شود. درک عواملی که به پیش زنگ کمک می‌کنند، مانند ساخت میدان الکتریکی و ویژگی‌های محیط عایق، برای طراحی و عملیات دستگاه‌های تغییر مسیر قابل اعتماد ضروری است. با به کار گرفتن استراتژی‌های کاهش مناسب، مانند استفاده از محیط‌های عایق با مقاومت دی الکتریک بالا، مواد تماس پیشرفته و مکانیزم‌های خنک‌سازی، اثرات پیش زنگ می‌تواند کاهش یابد و عملیات ایمن و قابل اعتماد دستگاه‌های تغییر مسیر در هر دو برش‌کننده و کلیدهای بار تضمین شود.
