شرایط تحت جریان کوتاه مدار برای تجهیزات قدرت
توضیح دقیق پدیده جریان ساز و پیش‌ضربه در دستگاه‌های تغییر مسیر
در دستگاه‌های تغییر مسیر، به خصوص در قطعکننده‌های مدار (CB) و کلیدهای باربر (LBS)، جریان ساز به فرآیندی اشاره دارد که در آن یک قوس الکتریکی زمانی شروع می‌شود که تماس‌ها شروع به بسته شدن می‌کنند. این فرآیند دقیقاً زمانی که تماس‌ها فیزیکی به هم می‌رسند شروع نمی‌شود، بلکه می‌تواند چند میلی‌ثانیه قبل از آن به دلیل پدیده‌ای به نام پیش‌ضربه رخ دهد. در ادامه توضیح دقیق این پدیده و پیامدهای آن آورده شده است.
1. پیش‌ضربه: شروع قوس قبل از تماس فیزیکی
• خرابی دی الکتریکی: هنگامی که تماس‌ها در طول عملیات بسته شدن به یکدیگر نزدیک می‌شوند، محیط عایق‌بندی (مانند هوا، SF6 یا خلاء) بین آنها خرابی دی الکتریکی می‌کند. این اتفاق می‌افتد زیرا میدان الکتریکی در فاصله بین تماس‌ها با نزدیک شدن آنها افزایش می‌یابد. هنگامی که قدرت میدان بیش از قدرت دی الکتریکی محیط عایق‌بندی شود، فاصله خراب می‌شود و قوس تغییر مسیر شروع می‌شود.
• تشکیل میدان الکتریکی: میدان الکتریکی بین تماس‌ها هنگام حرکت آنها به سمت یکدیگر تشکیل می‌شود. این میدان متناسب با ولتاژ بین تماس‌ها و معکوس متناسب با فاصله بین آنها است. هنگامی که میدان به اندازه کافی قوی شود، منجر به یونیزاسیون مولکول‌های گاز در فاصله می‌شود و مسیر رسانایی برای جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.
• شروع قوس: قوس قبل از تماس فیزیکی تماس‌ها شروع می‌شود، معمولاً چند میلی‌ثانیه قبل. این شروع زودهنگام قوس پیش‌ضربه نامیده می‌شود. در طول پیش‌ضربه، 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. پیامدهای پیش‌ضربه
• ذوب زیاد سطوح تماس: اگر انرژی مرتبط با پیش‌ضربه زیاد باشد، می‌تواند منجر به ذوب زیاد سطوح تماس شود. این موضوع به خصوص در شرایط کوتاه‌مداری، که جریان بسیار بالا می‌تواند باشد، مشکل‌ساز است. فلز ذوب شده روی سطوح تماس می‌تواند منجر به جوش تماس‌ها شود، جایی که دو سطح به یکدیگر متصل می‌شوند.
• جوش تماس‌ها: تماس‌های جوش شده می‌توانند از پاسخ صحیح دستگاه تغییر مسیر به دستور بعدی باز شدن جلوگیری کنند. اگر مکانیسم عملیاتی دستگاه تغییر مسیر نیرو کافی برای شکستن نقاط جوش شده نداشته باشد، دستگاه ممکن است به درستی باز نشود و منجر به خطرات ایمنی و آسیب به تجهیزات شود.
• ویژگی‌های جریان کوتاه‌مداری: جریان‌های کوتاه‌مداری معمولاً شامل یک مولفه DC هستند که می‌تواند مقدار پیک جریان را بسیار بیشتر از یک جریان کوتاه‌مداری خالص AC کند. این افزایش مقدار پیک جریان می‌تواند پیامدهای پیش‌ضربه را وخیم‌تر کند و منجر به آسیب شدیدتر به تماس‌ها و جوش شدن آنها شود.
• وابستگی ولتاژ قوس: ولتاژ بین قوس (ولتاژ قوس) به حد زیادی به محیط قطع‌کننده استفاده شده در دستگاه تغییر مسیر وابسته است. حتی با طول‌های قوس بسیار کوتاه، می‌تواند کاهش‌های ولتاژ قابل توجهی نزدیک الکترودها وجود داشته باشد. این به این دلیل است که مقاومت قوس در طول آن یکنواخت نیست و نواحی نزدیک به الکترودها به دلیل تمرکز گرما و ذرات یونیزه شده مقاومت بالاتری دارند.
3. عملیات سازی در شرایط کوتاه‌مداری
• قطعکننده‌های مدار (CB): در قطعکننده‌های مدار، عملیات سازی در شرایط کوتاه‌مداری به خصوص چالش‌برانگیز است. سطح بالای جریان و وجود یک مولفه DC می‌تواند منجر به قوس‌های شدید و آسیب به تماس‌ها شود. قطعکننده‌های مدرن با مواد پیشرفته و مکانیزم‌های خنک‌کننده طراحی شده‌اند تا این اثرات را کاهش دهند، اما پیش‌ضربه همچنان یک نگرانی است.
• کلیدهای باربر (LBS): کلیدهای باربر نیز در طول عملیات سازی، به خصوص در کاربردهای با جریان بالا، مستعد پیش‌ضربه هستند. با این حال، دستگاه‌های LBS معمولاً در کاربردهای با ولتاژ و جریان کمتر نسبت به قطعکننده‌های مدار استفاده می‌شوند، بنابراین خطر آسیب شدید به تماس‌ها به طور کلی کمتر است.
4. مراحل عملیات سازی در دستگاه‌های تغییر مسیر
عملیات سازی دستگاه‌های تغییر مسیر می‌تواند به چند مرحله تقسیم شود، همان‌طور که در شکل نشان داده شده است:
• مرحله 1: نزدیک شدن اولیه تماس‌ها: تماس‌ها شروع به حرکت به سمت یکدیگر می‌کنند و میدان الکتریکی بین آنها شروع به تشکیل می‌کند. در این مرحله، جریانی جریان نمی‌کند، اما پتانسیل پیش‌ضربه در حال افزایش است.
• مرحله 2: تشکیل قوس پیش‌ضربه: هنگامی که تماس‌ها به یکدیگر نزدیک می‌شوند، میدان الکتریکی بیش از قدرت دی الکتریکی محیط عایق‌بندی می‌شود و خرابی دی الکتریکی اتفاق می‌افتد. یک قوس پیش‌ضربه تشکیل می‌شود و جریان از طریق قوس قبل از تماس فیزیکی تماس‌ها شروع می‌کند.
• مرحله 3: تماس فیزیکی و انتقال قوس: تماس‌ها در نهایت تماس فیزیکی می‌کنند و قوس از فاصله بین تماس‌ها به سطوح تماس منتقل می‌شود. جریان از طریق مدار بسته شده ادامه می‌یابد.
• مرحله 4: عملیات حالت پایدار: پس از بسته شدن کامل تماس‌ها، سیستم وارد حالت عملیاتی پایدار می‌شود و جریان از طریق تماس‌های بسته بدون قوس ادامه می‌یابد.
5. استراتژی‌های کاهش
برای کاهش اثرات پیش‌ضربه و جوش تماس‌ها، چند استراتژی طراحی و عملیاتی می‌تواند به کار گرفته شود:
• استفاده از محیط‌های عایق‌بندی با قدرت دی الکتریکی بالا: استفاده از محیط‌های عایق‌بندی با قدرت دی الکتریکی بالا، مانند گاز SF6 یا خلاء، می‌تواند احتمال پیش‌ضربه را با نیاز به میدان الکتریکی بالاتر برای شروع خرابی کاهش دهد.
• مواد تماس پیشرفته: استفاده از مواد تماس با نقطه ذوب بالا و هدایت حرارتی خوب می‌تواند به کاهش آسیب تماس‌ها در طول پیش‌ضربه کمک کند. موادی مانند آلیاژ مس-تنگستن معمولاً در دستگاه‌های تغییر مسیر ولتاژ بالا استفاده می‌شوند.
• مکانیزم‌های خنک‌کننده: ادغام مکانیزم‌های خنک‌کننده، مانند سیستم‌های پوشر یا جریان گاز اجباری، می‌تواند به تشعشع گرما از قوس و کاهش دمای سطوح تماس کمک کند و خطر جوش شدن را کاهش دهد.
• بهبود‌های طراحی مکانیکی: اطمینان از اینکه مکانیسم عملیاتی نیروی کافی برای شکستن هر نقطه جوش شده در طول عملیات باز شدن فراهم کند، می‌تواند جلوگیری کند از شکست دستگاه تغییر مسیر در باز شدن صحیح.
• سیستم‌های محافظ: اجرای سیستم‌های محافظ، مانند رله‌های جریان بیش از حد و مکانیزم‌های تشخیص خطای، می‌تواند به تشخیص و واکنش سریع‌تر به شرایط کوتاه‌مداری کمک کند و مدت و شدت قوس را کاهش دهد.
نتیجه‌گیری
پدیده پیش‌ضربه، که در آن قوس قبل از تماس فیزیکی تماس‌ها شروع می‌شود، جنبه مهمی از عملیات سازی در دستگاه‌های تغییر مسیر است. این پدیده می‌تواند منجر به آسیب زیاد به تماس‌ها، جوش شدن و شکست بالقوه دستگاه تغییر مسیر شود. درک عواملی که به پیش‌ضربه کمک می‌کنند، مانند تشکیل میدان الکتریکی و ویژگی‌های محیط عایق‌بندی، برای طراحی و عملیات دستگاه‌های تغییر مسیر قابل اعتماد ضروری است. با به کارگیری استراتژی‌های کاهش مناسب، مانند استفاده از محیط‌های عایق‌بندی با قدرت دی الکتریکی بالا، مواد تماس پیشرفته و مکانیزم‌های خنک‌کننده، اثرات پیش‌ضربه می‌تواند کاهش یابد و عملیات ایمن و قابل اعتماد دستگاه‌های تغییر مسیر در قطعکننده‌های مدار و کلیدهای باربر تضمین شود.
