Stvaranje uvjeta za prekidni strujni uslijed kratkog spoja za opremu za prekid struje

Detaljno objašnjenje toka struje i pojave predudara u prekidačima
U prekidačima, posebno u krovnim prekidačima (CB) i prekidnim prekidačima za opterećenje (LBS), tok struje se odnosi na proces iniciranja električne lukove kada kontakti počnu da se zatvaraju. Taj proces ne započinje tačno kada kontakti fizički dodirnu, već može nastati nekoliko milisekundi ranije zbog pojave poznate kao predudar. Ispod slijedi detaljno objašnjenje ove pojave i njenih implikacija.
1. Predudar: Inicijacija luka prije dodira kontakata
•    Dielektrični propad: Dok se kontakti približavaju tijekom operacije zatvaranja, izolacijsko sredstvo (poput zraka, SF6 ili vakuuma) između njih trpi dielektrični propad. To se događa jer se električno polje u razmaku između kontakata povećava kako se oni približavaju. Kada snaga polja premaši dielektričnu čvrstoću izolacijskog sredstva, razmak se propada i inicira se preključni luk.
•    Nastanak električnog polja: Električno polje između kontakata gradi se dok se oni kreću jedan prema drugom. Ovo polje je proporcionalno naponu između kontakata i obrnuto proporcionalno udaljenosti između njih. Kada polje postane dovoljno jak, uzrokuje ionizaciju molekula plina u razmaku, što dovodi do formiranja provodnog puta za tok struje.
•    Inicijacija luka: Luk se inicira prije nego što kontakti stvarno dodirnu, obično nekoliko milisekundi ranije. Ova rana inicijacija luka naziva se predudar. Tijekom predudara, luk se formira u malom razmaku između kontakata, a struja počinje teći kroz luk umjesto da čeka da kontakti stvarno dodirnu.
2. Implikacije predudara
•    Previse taloženja površina kontakata: Ako je energija uključena u predudar velika, može dovesti do previše taloženja površina kontakata. To je posebno problematično u uvjetima kratkog spoja, gdje može biti izuzetno visoka struja. Talozeni metal na površinama kontakata može dovesti do zavarivanja kontakata, gdje se dvije površine spajaju zajedno.
•    Zavarivanje kontakata: Zavarani kontakti mogu sprečiti uređaj za prekidanje da pravilno reagira na sljedeću naredbu otvaranja. Ako mehanizam rada prekidača ne pruža dovoljnu snagu da prekidne točke razdvoji, uređaj može neuspješno otvoriti, što može dovesti do potencijalnih sigurnosnih opasnosti i oštećenja opreme.
•    Karakteristike struje kratkog spoja: Struja kratkog spoja često sadrži DC komponentu, što može dovesti do toga da je vrhovna vrijednost struje mnogo veća od one čiste AC struje kratkog spoja. Ova povećana vrhovna struja može ubrzati efekte predudara, što dovodi do ozbiljnijeg oštećenja kontakata i zavarivanja.
•    Ovisnost napona luka: Napon na luk (napon luka) ovisi o sredstvu prekida koristi se u prekidaču. Čak i sa vrlo kratkim duljinama luka, može biti značajno pada napona blizu elektroda. To je zato što otpor luka nije uniforman duž cijele duljine, a regije blizu elektroda imaju veći otpor zbog koncentracije topline i joniziranih čestica.
3. Rad pod uvjetima kratkog spoja
•    Krovnim prekidačima (CB): U krovnim prekidačima, rad pod uvjetima kratkog spoja posebno je izazovan. Visoke razine struje i prisustvo DC komponente mogu dovesti do intenzivnog lukanja i oštećenja kontakata. Moderni krovnim prekidači su dizajnirani s naprednim materijalima i hlađećim mehanizmima kako bi se mitigirali ti efekti, ali predudar ostaje problema.
•    Prekidnim prekidačima za opterećenje (LBS): Prekidni prekidači za opterećenje također su osjetljivi na predudar tijekom operacije zatvaranja, posebno u aplikacijama s visokim tokom struje. Međutim, LBS uređaji se obično koriste u primjenama s nižim naponom i manjom strujom u usporedbi s krovnim prekidačima, pa je rizik od ozbiljnog oštećenja kontakata općenito manji.
4. Faze operacije zatvaranja u prekidačima
Operacija zatvaranja prekidača može se podijeliti u nekoliko faza, kao što pokazuje slika:
•    Faza 1: Početni pristup kontakata: Kontakti počinju kretati jedan prema drugom, a električno polje između njih počinje graditi. Na ovoj fazi još ne teče struja, ali potencijal za predudar se povećava.
•    Faza 2: Formiranje luka predudara: Kako se kontakti približavaju, električno polje premaši dielektričnu čvrstoću izolacijskog sredstva, što uzrokuje dielektrični propad. Luk predudara se formira, a struja počinje teći kroz luk prije nego što kontakti dodirnu.
•    Faza 3: Dodir kontakata i prijenos luka: Kontakti konačno dodirnu, a luk se prenosi s razmaka između kontakata na površine kontakata. Struja nastavlja teći kroz sada zatvorenu petlju.
•    Faza 4: Steady-state operacija: Nakon što su kontakti potpuno zatvoreni, sustav ulazi u steady-state operaciju, a struja teče kroz zatvorene kontakte bez lukanja.
5. Strategije mitigacije
Da bi se smanjili efekti predudara i zavarivanja kontakata, mogu se upotrijebiti nekoliko dizajnerskih i operativnih strategija:
•    Korištenje sredstava s visokom dielektričnom čvrstoćom: Korištenje izolacijskih sredstava s visokom dielektričnom čvrstoćom, poput SF6 plina ili vakuuma, može smanjiti vjerojatnost predudara zahtijevajući više jači električni polj za inicijaciju propada.
•    Napredni materijali kontakata: Korištenje materijala kontakata s visokim točkom taloženja i dobrom termičkom provodljivošću može pomoći u smanjenju oštećenja kontakata tijekom predudara. Materijali poput legura bakra i volframa često se koriste u visokonaponskom prekidaču.
•    Hlađeći mehanizmi: Inkorporacija hlađećih mehanizama, poput pufer sistema ili prisilnog protoka plina, može pomoći u disipaciji toplote od luka i smanjenju temperature površina kontakata, minimizirajući rizik od zavarivanja.
•    Unapređenja mehaničkog dizajna: Osiguravanje da mehanizam rada pruža dovoljnu snagu da prekidne točke razdvoji tijekom operacije otvaranja može sprečiti da prekidač ne uspije otvoriti pravilno.
•    Sustavi zaštite: Implementacija sustava zaštite, poput releja za pretjeranu struju i mehanizama za otkrivanje grešaka, može pomoći u bržem otkrivanju i reagiranju na uvjete kratkog spoja, smanjujući trajanje i intenzitet luka.
Zaključak
Pojavu predudara, gdje se luk inicira prije nego što kontakti fizički dodirnu, ključan aspekt je operacije zatvaranja u prekidačima. Može dovesti do previše oštećenja kontakata, zavarivanja i potencijalnog propada prekidača. Razumijevanje faktora koji doprinose predudaru, poput građenja električnog polja i karakteristika izolacijskog sredstva, ključno je za dizajniranje i rad pouzdanog prekidača. Upotrebom odgovarajućih strategija mitigacije, poput korištenja sredstava s visokom dielektričnom čvrstoćom, naprednih materijala kontakata i hlađećih mehanizama, efekti predudara mogu se smanjiti, osiguravajući siguran i pouzdan rad prekidača, kako u krovnim prekidačima, tako i u prekidnim prekidačima za opterećenje.