Sulkuvarusteen lyhytsirkuittisvirtaehdot

Yksityiskohtainen selitys sähkövirran luomisesta ja ennakkosulun ilmiöstä kytkentälaitteissa
Kytkentälaitteissa, erityisesti sulakekytkimissä (CB) ja kuormituksen katkaisukytkimissä (LBS), sähkövirran luominen tarkoittaa prosessia, jossa sähkökaari aloitetaan, kun yhteyspinnat alkavat suljeta. Tämä prosessi ei ala tarkasti silloin, kun yhteyspinnat fyysisesti koskettaa toisiaan, vaan se voi tapahtua useita millisekunteja aiemmin ennakkosulun ilmiön vuoksi. Alla on yksityiskohtainen selitys tästä ilmiöstä ja sen vaikutuksista.
1. Ennakkosulu: Kaaren aloitus ennen yhteystahkojen kosketusta
•    Dielektrinen rikkoutuminen: Kun yhteyspinnat lähenevät toisiaan suljettaessa, niiden välissä oleva eristävä medio (esimerkiksi ilma, SF6 tai vakio) kärsii dielektrisestä rikkoutumisesta. Tämä johtuu sähkökentän voimakkuuden kasvamisesta yhteyspintujen välisten kuilujen kautta. Kun kentän voimakkuus ylittää eristävän median dielektrisen vahvuuden, kuilu rikkoutuu, ja kaari aloitetaan.
•    Sähkökentän muodostuminen: Sähkökenttä yhteyspintujen välillä muodostuu, kun ne liikkuvat kohti toisiaan. Tämä kenttä on verrannollinen pinnien väliseen jännitteeseen ja käänteisesti verrannollinen niiden välimatkaan. Kun kenttä tulee riittävän voimaksi, se aiheuttaa kaasuhiekkojen ionisoinnin kuilussa, mikä johtaa sähkövirran kulkevan reitin muodostumiseen.
•    Kaaren aloitus: Kaari aloitetaan ennen yhteyspintujen fyysistä kosketusta, tyypillisesti useita millisekunteja aiemmin. Tämä varhainen kaaren aloitus kutsutaan ennakkosuluksi. Ennakkosulun aikana kaari muodostuu yhteyspintujen välisten pieniin kuiluihin, ja virta alkaa kulkea kaaren kautta eikä odota yhteyspintujen fyysistä kosketusta.
2. Ennakkosulun vaikutukset
•    Yliarvoinen yhteyspintojen sulaminen: Jos ennakkosulun mukana oleva energia on suuri, se voi aiheuttaa yliarvoisen yhteyspintojen sulamisen. Tämä on erityisen ongelma lyhytsulun olosuhteissa, jossa virta voi olla erittäin suuri. Sulava metalli yhteyspintujen päällä voi johtaa yhteyspintujen kiilaantumiseen, jossa kaksi pintaa yhdistyvät.
•    Yhteyspintojen kiilaantuminen: Kiilaantuneet yhteyspinnat voivat estää kytkentälaite vastaamasta asianmukaisesti seuraavaan avauskomennoon. Jos kytkentälaiteen toimintamekanismi ei tarjoa riittävää voimaa kiilaantumispisteiden murtautumiseksi, laite saattaa epäonnistua avaamaan oikein, mikä voi johtaa mahdollisiin turvallisuusriskiin ja laiteruohon.
•    Lyhytsulun virran ominaisuudet: Lyhytsulun virrat sisältävät usein DC-osa-alueen, mikä voi aiheuttaa virran huipparvoa olemaan paljon suurempi kuin puhtaassa AC-lyhytsulun virrassa. Tämä kasvattaa huipparvoa voimistaa ennakkosulun vaikutuksia, mikä johtaa vakavampaan yhteyspintojen vahingoittumiseen ja kiilaantumiseen.
•    Kaarenjännitteen riippuvuus: Kaaren yli oleva jännite (kaarenjännite) on erittäin riippuvainen kytkentälaiteessa käytetystä keskeyttävästä mediosta. Jopa hyvin lyhyillä kaareilla voi olla merkittäviä jännitesiirtoja lähekkäin elektrodeja. Tämä johtuu siitä, että kaaren vastus ei ole tasainen sen pituuden suhteen, ja alueet lähellä elektrodeja ovat usein korkeammalla vastuksella lämpöä ja ionisoituneita hiukkasia takia.
3. Sulatus lyhytsulun olosuhteissa
•    Sulakekytkimet (CB): Sulakekytkimissä sulatus lyhytsulun olosuhteissa on erityisen haastava. Korkeat virratason ja DC-osa-alueen läsnäolo voi johtaa voimakkaaseen kaariin ja yhteyspintojen vahingoittumiseen. Modernit sulakekytkimet on suunniteltu edistyneillä materiaaleilla ja jähdytysmekanismeilla näiden vaikutusten lievittämiseksi, mutta ennakkosulu pysyy huolenaiheena.
•    Kuormituksen katkaisukytkimet (LBS): Kuormituksen katkaisukytkimet ovat myös alttiina ennakkosululle sulatessa, erityisesti korkean virran sovelluksissa. Kuitenkin LBS-laitteet käytetään tyypillisesti alhaisemmissa jännitteissä ja virrasarvoissa verrattuna sulakekytkimiin, joten vakavan yhteyspintojen vahingoittumisen riski on yleensä pienempi.
4. Sulatustoimen vaiheet kytkentälaitteissa
Kytkentälaiteen sulatustoimi voidaan jakaa useisiin vaiheisiin, kuten kuvassa näkyy:
•    Vaihe 1: Yhteyspintojen ensimmäinen lähestyminen: Yhteyspinnat alkavat liikkua toisiaan kohti, ja niiden välille muodostuu sähkökenttä. Tässä vaiheessa ei vielä virrata, mutta ennakkosulun potentiaali on kasvamassa.
•    Vaihe 2: Ennakkosulun kaaren muodostuminen: Kun yhteyspinnat lähenevät, sähkökenttä ylittää eristävän median dielektrisen vahvuuden, mikä aiheuttaa dielektrisen rikkoutumisen. Ennakkosulun kaari muodostuu, ja virta alkaa kulkea kaaren kautta ennen yhteyspintujen kosketusta.
•    Vaihe 3: Yhteyspintojen kosketus ja kaaren siirtyminen: Yhteyspinnat lopulta tekevät fyysisen kosketuksen, ja kaari siirtyy yhteyspintujen välistä kuilua yhteyspintoihin. Virta jatkaa kulkeutumista nyt suljetussa piirissä.
•    Vaihe 4: Vakiovaihe: Kun yhteyspinnat ovat täysin suljettu, järjestelmä siirtyy vakiovaiheeseen, ja virta kulkee suljetuissa yhteyspintojen kautta ilman kaarta.
5. Vähentämisstrategiat
Ennakkosulun ja yhteyspintojen kiilaantumisen vaikutusten vähentämiseksi voidaan käyttää useita suunnittelua ja toimintastrategioita:
•    Korkean dielektrisen vahvuuden eristävien mediaalien käyttö: Korkean dielektrisen vahvuuden eristävien mediaalien, kuten SF6-kaasun tai vakion, käyttö vähentää ennakkosulun todennäköisyyttä, koska rikkoutumisen aloittamiseen tarvitaan korkeampi sähkökenttä.
•    Edistyneet yhteyspintamateriaalit: Materiaalien, kuten kupari-vaskijahdeminsegaalien, käyttö, jotka ovat korkean sulamispisteen ja hyvän lämmönsiirron omaavia, auttavat yhteyspintojen vahingoittumisen vähentämisessä ennakkosulun aikana. Nämä materiaalit ovat yleisiä korkeajännitteisissä kytkentälaiteissa.
•    Jähdytysmekanismit: Jähdytysmekanismien, kuten puffertietojärjestelmien tai pakotetun kaasun virtauksen, käyttö auttaa levittämään kaaren tuottamaa lämpöä ja vähentämään yhteyspintojen lämpötilaa, mikä vähentää kiilaantumisen riskiä.
•    Mekaanisten suunnittelun parannukset: Toimintamekanismin varmistaminen, että se tarjoaa riittävän voiman kiilaantuneiden pisteiden murtautumiseksi avatessa, voi estää kytkentälaiteen epäonnistumisen avaamisessa.
•    Suojajärjestelmät: Suojajärjestelmien, kuten liikavirtarelayjen ja virheratkaisujen käyttö, auttavat havaitsemaan ja reagoimaan nopeammin lyhytsulun olosuhteissa, mikä vähentää kaaren kestoa ja voimakkuutta.
Yhteenveto
Ennakkosulun ilmiö, jossa kaari aloitetaan ennen yhteyspintujen fyysistä kosketusta, on keskeinen osa kytkentälaiteiden sulatustoimia. Se voi johtaa yliarvoiseen yhteyspintojen vahingoittumiseen, kiilaantumiseen ja mahdolliseen kytkentälaiteen toiminnan epäonnistumiseen. Ennakkosulun vaikutusten ymmärtäminen, kuten sähkökentän muodostuminen ja eristävän median ominaisuudet, on olennaista kytkentälaiteiden suunnittelussa ja toiminnassa. Sovelletaan sopivia vähentämisstrategioita, kuten korkean dielektrisen vahvuuden eristävien mediaalien, edistyneiden yhteyspintamateriaalien ja jähdytysmekanismien käyttöä, ennakkosulun vaikutukset voidaan vähentää, mikä takaa turvallisen ja luotettavan kytkentälaiteiden toiminnan sekä sulakekytkimissä että kuormituksen katkaisukytkimissä.